mô phỏng quá trình steam reforming hơi nước sản xuất khí tổng hợp bằng hysys

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐH BACH KHOA HÀ NỘI ĐỘC LẬP - TỰ DO -HẠNH PHÚC
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HỮU CƠ- HÓA DẦU

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên : Lê Văn Phước
Lớp : Hóa dầu K52 QN
1-Đầu đề:
Thiết kế mô phỏng Công nghệ Reforming hơi nước khí tự
nhiên sản xuất khí tổng hợp
2-Nội dung đồ án:
-Tổng quan khí tự nhiên
-Khí tổng hợp
-Cơ sở lý thuyết và công nghệ sản xuất khí tổng hợp
-Thiêt kê mô phỏng bằng hysys
-Tính toán thiết bị chính
-Thiết kế xây dựng
-Tính toán kinh tế
-An toàn vệ sinh lao động
3- Các bản vẻ:
- Dây chuyền sản xuất.
- Thiết bị chính.
- Mặt bằng xây dựng.
4- Cán bộ hướng dẩn : ThS.Vương Thanh Huyền
5- Ngày giao nhiệm vụ : 18/03/2013
6- Ngày hoàn thành nhiêm vụ : 02/O7/2013
CHỦ NHIỆM KHOA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước

1
KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ SINH VIÊN ĐÃ HOÀN THÀNH

Ký tên
+quá trình làm đồ án:
+Điểm bản vẽ :
+ Điểm bảo vệ :
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
2
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội tuy
ngắn nhưng em đã nhận được sự dậy bảo , giúp đỡ tận tình của các thầy
cô giáo .Đặc biệt là trong khoảng thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã
nhân được sự hướng dẩn tận tình của cô giáo : Th.S Vương Thanh Huyền ,
giúp em hoàn thành bản đồ án đúng thời gian quy định .
Bản đô án đã giúp em củng cố và hiểu sâu thêm về các kiến
thức đã được học trong quá trình học tập tại trường , đồng thời củng giúp
em bước đầu định hình được nhửng vến đề cần thiết khi thiết kế một phân
xưởng sản xuất trong công nghệ hóa dầu . Tuy nhiên với thời gan có hạn
nên không thể tránh được những thiếu sót , vương mắc ,kính mong các thầy cô
giáo hướng dẩn và chỉ bảo thêm .
Em xin chân thành cảm ơn Th.S Vương Thanh Huyền đã tận
tình giúp đở và hướng dẩn trong suốt thời gian em hoàn thành bản đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đở trong khoảng
thời gian em học tập tại trường .
Em xin chân thành cảm ơn tới thầy cô trương Đại Học Quy
Nhơn.

Qua đây em cũng xin bầy tỏ lòng biết ơn của mình đối với gia
đình , bạn bè đả giúp đở , đông viên trong suốt thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội ngày 1/7/2013
Sinh viên
Lê Văn Phước
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
3
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……………………………………………………… 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHÍ TỰ NHIÊN……………… 9.
I.1. Khái niệm……………………………………………… 9
I.2. Nguồn gốc ……………………………………………… 9
I.3. Thành phần …………………………………………… 10
I.4. Tính chất hóa lý của hydrocacbon ……………………… 10
I.4.1. Giới hạn cháy nổ…………………………………………… 10
I.4.2. Nhiệt trị……………………………………………………… 11
I.4.3. Tỉ khối, khối lượng riêng…………………………………… 11
I.4.4. Độ dẫn nhiệt………………………………………………… 11
I.5.1. Ứng dụng làm nhiên liệu…………………………………… 12
I.5.2. Ứng dụng làm nguyên liệu………………………………… 13
I.6. Nguồn khí và tiềm năng của Việt Nam…………………. 13
I.6.1. Nguồn khí…………………………………………………… 13
I.6.2. Khả năng khai thác và cung cấp khí ở Việt Nam………… 14
CHƯƠNG 2: KHÍ TỔNG HỢP…………………………………… .16
2.1. Khái niệm……………………………………………… .16
2.2. Ứng dụng của khí tổng hợp …………………………… .16
2.2.1. Tổng hợp chất hữu cơ……………………………………… 16

2.2.2. Sản xuất metanol………………………………………… 16
2.2.3. Tổng hợp andehyt và rượu mạch dài…………………… 16
2.2.4. Sản xuất NH
3
……………………………………………… 17
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
KHÍ TỔNG HỢP ………………………………… 19
3.1. Cơ chế của quá trình……………………………………… 19
3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ lệ O
2
/CH
4
………………… 30
3.4. Các quá trình công nghệ cơ bản………………………… 32
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
4
3.4.1. Công nghệ chuyển hoá bằng hơi nước…………………… 32
3.4.2. Công nghệ oxy hoá không hoàn toàn không cần xúc tác…33
3.4.3. Quá trình chuyển hoá có xúc tác……………………………34
3.4.4. Quá trình tổ hợp……………………………………………… 35
3.4.5. Các quá trình công nghệ phát triển……………………… 36
3.4.6. Lựa chọnvà thuyết minh dây chuyền công nghệ………… 39
3.5. Thiết bị reforming sơ cấp…………………………………. 41
3.6. Thiết bị refoming thứ cấp………………………………… 44
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BẰNG HYSYS…………. 46
4.1. Giới thiệu về phần mềm Hysys…………………………… .46
4.2. Mô phỏng công nghệ reforming hơi nước khí tự nhiên…… 46
4.2.1. Lựa chọn hệ nhiệt động………………………………… 46
4.2.2. Thiết lập dòng vật chất……………………………………… 47
4.2.3. Thiết lập các phản ứng……………………………………… 48

4.2.4. Sơ đồ mô phỏng trong Hysys…………………………………51
4.3 Tính cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng……………52
4.3.1. Cân bằng vật chất…………………………………………… 52
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH…………………….54
5.1.Tính thiết bị reforming thứ cấp…………………………… 54
5.2. Tính thiết bị reforming thứ cấp…………………………….55
CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ XÂY DỰNG…………………………… 58
6.1. Yêu cầu chung của việc chọn địa điểm nhà máy ………… 58
6.1.1 Các yêu cầu chung …………………………………………… 58
6.1. 2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng ………………………… 58
6.2. Chọn địa điểm xây dựng nhà máy …………………………59
6.3 Yêu cầu khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy ……………… 60
6.4. Giai pháp thiết kế tổng mặt bằng phân xưởng 60
6.4. 1. Nguyên tắc thiết kế tổng mặt bằng phân xưởng 60
6.4. 2. Các hạng mục công trình 62
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
5
6.4. 3. Mặt bằng nhà máy ……………………………………………64
6.4. 4. Bố trí các thành phần trong xây dựng lộ thiên và bán lộ thiên
CHƯƠNG 7 :TÍNH TOÁN KINH TẾ……………………………… 67
7.1.Mục đích và nhiệm vụ tính toán kinh tế…………………… 67
7.2. Các loại chi phí…………………………………………… 67
7.2.1. Chi phí cho mua máy móc thiết bị………………………… 67
7.2.2. Chi phí cho vận hành dây chuyền………………………… 67
7.2.2.1Chi phí cho nguyên liệu………………………………………67
7.2.2.2.Chi phí cho năng lượng…………………………………… 68
7.2.3. Chi phí cho công nhân sản xuất trực tiếp…………………70
7.2.4. Chi phí khấu hao tài sản cố định…………………………… 70
7.2.5. Mức khấu hao cho một đơn vị sản phẩm……………………70
7.2.6. Chi phí tiền lơng cho một đơn vị sản phẩm……………… 70

7.2.7. Chi phí cho nhiên liệu và năng lượng………………………70
7.2.8. Chi phí cho phân xưởng…………………………………… 70
7.2.9.Chi phí cho quản lý doanh nghiệp………………………… 71
7.2.10. Chi phí bán hàng…………………………………………… 71
7.3. Doanh thu do phương án kỹ thuật đem lại………………… 71
7.4. Lợi nhuận………………………………………………… 72
7. 5 Thời gian hoàn vốn…………………………………………72
CHƯƠNG 8 : AN TOÀN VỆ SINH LAO Đ ỘNG………………… 73
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
6
8.1.An toàn lao động…………………………………………….73
8.1.1.Mục đích và ý nghĩa ………………………………………… 73
8.1.2. Các biện pháp an toàn lao động …………………………… 73
8.2 Công tác vệ sinh lao động ………………………………… 75
8.2.1.Vệ sinh đối với mặt bằng nhà máy……………………………75
8.2.2. Hệ thống thông gió ……………………………………………75
8.2.3.Hệ thống che mưa , che nắng cho phân xưởng sản xuất …75
8.2.4.Hệ thống vệ sinh cá nhân …………………………………… 75
KẾT LUẬN 76
LIỆU THAM KHẢO 77
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
7
MỞ ĐẦU
Dầu mỏ và khí tự nhiên luôn là hai nguồn nguyên liệu, nhiên liệu được chú ý
hàng đầu trên thị trường thế giới. Dầu khí được sử dụng làm nhiên liệu, nguyên liệu
cho công nghiệp chất dẻo, tơ sợi, bột giặt, công nghiệp phân bón và nhiều ngành
khác.
Tại Việt Nam mặc dù đã phát hiện và khai thác được nhiều mỏ dầu và khí
nhưng chủ yếu vẫn là xuất khẩu dầu thô và chế biến thành các loại nhiên liệu phục
vụ một phần rất nhỏ nhu cầu trong công nghiệp và đời sống sinh hoạt. Ngành công

nghiệp hoá dầu của chúng ta còn rất non trẻ và đang trong quá trình xây dựng.
Ngành sản xuất có ý nghĩa nhất trong công nghiệp hoá dầu của chúng ta hiện
nay là sản xuất phân đạm. Nó cũng đáp ứng được phần nào nhu cầu rất lớn về phân
bón của một nước nông nghiệp như Việt Nam.
Nguyên liệu để sản xuất phân đạm là khí tổng hợp (H
2
+ CO). Nguyên liệu ban
đầu để sản xuất khí tổng hợp rất phong phú gồm có các loại than, các loại nhiên liệu
lỏng từ nhẹ tới nặng (từ xăng tới mazút), khí tự nhiên Trong các loại nguyên liệu
đó thì khí tự nhiên là có ưu thế hơn so với các loại nguyên liệu khác như than. Bởi
vì công nghệ sử dụng khí tự nhiên có thể dễ dàng cơ khí hoá và tự động hoá các quá
trình cháy của chúng, do đó có thể khống chế các thông số kỹ thuật rất chặt chẽ và
chính xác.
Bản đồ án tốt nghiệp này em được giao nhiệm vụ “Thiết kế mô phỏng công
nghệ steam reforming sản xuất khí tổng hợp từ khí tự nhiên’’.
Mục đích của đề tài:
- Tìm hiểu các công nghệ sản xuất khí tổng hợp trên thế giới.
- Đánh giá các công nghệ sản xuất khí tổng hợp.
- Dùng phần mềm Hysys mô phỏng công nghệ steam reforming sản xuất khí
tổng hợp từ khí tự nhiên.

Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
8
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ KHÍ TỰ NHIÊN
I.1. Khái niệm [1]
Khí tự nhiên là tập hợp những hydrocacbon khí CH
4
, C
2
H

6
, C
3
H
8
, C
4
H
10
v.v…
có trong lòng đất. Chúng thường tồn tại trong những mỏ khí riêng rẽ hoặc tồn tại ở
trên các lớp dầu mỏ. Khí tự nhiên còn được hiểu là khí trong các mỏ khí. Khí tự
nhiên cũng luôn chứa các khí vô cơ như N
2
, H
2
S, CO
2
, khí trơ, hơi nước.
Người ta phân loại khí tự nhiên làm hai loại: khí không đồng hành (còn gọi là
khí tự nhiên) và khí đồng hành. Khí tự nhiên khai thác được từ mỏ khí, còn khí
đồng hành khai thác được trong quá trình khai thác dầu mỏ ở trong mỏ dầu. Trong
lòng đất, dưới áp suất và nhiệt độ cao, các chất hydrocacbon khí như CH
4
, C
2
H
6
,
C

3
H
8
phần lớn hòa tan trong dầu, khí bơm lên mặt đất, do áp suất giảm nên chúng
tách ra khỏi dầu tạo thành khí đồng hành.
I.2. Nguồn gốc [1]
Nguồn gốc hình thành hữu cơ tạo ra dầu mỏ có nhiều nguồn gốc khác nhau,
trong đó quan trọng nhất là các sinh vật đồng thời cũng có một phần xác động thực
vật hình
thành nên.
Các giai đoạn hình thành dầu khí:
Quá trình hình thành dầu khí trong các mỏ được các nhà khoa học giải thích
theo nhiều chiều hướng khác nhau, tuy nhiên giả thuyết hữu cơ của các
hydrocacbon trong dầu mỏ là có nhiều cơ sở khoa học nhất. Sự hình thành này xảy
ra hàng triệu năm và có thể chia thành 4 giai đoạn sau:
* Giai đoạn 1: Giai đoạn này bao gồm các quá trình tích tụ vật liệu hữu cơ ban
đầu. Xác động thực vật được lắng đọng lại. Chúng được các vi sinh vật phân huỷ
thành khí và các sản phẩm tan trong nước, phần bền vững nhất không tan sẽ lắng
đọng lại thành các lớp trầm tích dưới đáy biển. Quá trình này diễn ra trong khoảng
vài triệu năm.
* Giai đoạn 2: Giai đoạn này bao gồm các quá trình biến các chất hữu cơ
thành các phân tử hydrocacbon ban đầu. Những hợp chất hữu cơ ban đầu không bị
phân huỷ bởi vi khuẩn là nhóm hợp chất béo. Qua hàng triệu năm, những hợp chất
này lắng sâu xuống đáy biển. Ở độ sâu càng lớn, áp suất và nhiệt độ càng cao (T:
100-200
0
C, P: 200-1000 atm). Ở điều kiện này, các thành phần hữu cơ trên bị biến
đổi do các phản ứng hóa học tạo ra các cấu tử hydrocacbon ban đầu của dầu khí.
* Giai đoạn 3: Giai đoạn này bao gồm các quá trình di cư các hydrocacbon
ban đầu đến các bồn chứa tự nhiên. Chúng được phân bố rải rác trong các lớp trầm

tích. Do áp suất trong các lớp đá trầm tích rất cao nên các hydrocacbon ban đầu bị
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
9
đẩy ra và di cư đến nơi khác. Quá trình di cư diễn ra liên tục cho đến khi các
hydrocacbon ban đầu đến được các lớp sa thạch, đá vôi, nham thạch có độ rỗng xốp
cao được gọi là đá chứa, từ đó hình thành nên các bồn chứa tự nhiên. Tại các bồn
chứa này, các hydrocacbon không thể di cư được nữa. Trong suốt quá trình di cư
ban đầu, các hydrocacbon luôn chịu các biến đổi hóa học và dần nhẹ đi.
* Giai đoạn 4: Giai đoạn này bao gồm các quá trình biến đổi dầu mỏ trong các
bồn chứa tự nhiên.
I.3. Thành phần [1]
Thành phần định tính, định lượng của khí tự nhiên rất giống nhau ở các mỏ
khác nhau, có thể khác nhau đáng kể ở các tầng trong cùng một mỏ.
Giữa khí tự nhiên và khí đồng hành không có sự khác biệt lớn về thành phần
định tính, nhưng về mặt định lượng thì khí đồng hành nghèo CH
4
, hơn và giàu C
4
+
hơn so với khí tự nhiên.
Bảng 1.1 Thành phần khí tự nhiên một số mỏ khí(%V)
Cấu tử
Mỏ Urengôi
[%V]
Mỏ Saratov
[%V]
Mỏ Lan Tây
[%V]
Mỏ Lan Đỏ
[%V]

CH
4
97.9 94.7 88.5 93.9
C
2
H
6
0.2 1.8 4.3 2.3
C
3
H
8
0.1 0.2 2.4 0.5
i-C
4
H
10
0.0 0.0 0.6 0.1
n-C
4
H
10
0.0 0.1 0.6 0.1
C
5+
0.0 0.0 1.4 0.2
N
2
1,5 0.2 0.3 1.6
CO

2
0.3 3.0 1.9 1.2
H
2
0.0 0.0 1.0 0.0
Bảng 1.2 Thành phần khí đồng hành của một số mỏ (%V)
Cấu tử Bạch Hổ [%V] Rồng [%V] Đại Hùng [%V]
CH
4
71.59 76.54 77.25
C
2
H
6
12.52 6.398 9.49
C
3
H
8
8.61 8.25 3.83
i-C
4
H
10
1.75 0.78 1.43
n-C
4
H
10
2.96 0.94 1.26

C
5+
1.84 1.49 2.33
CO
2
0.72 5.02 4.5
Khí tự nhiên là nguồn nguyên liệu, nhiên liệu vô cùng quý giá, gần như không
tái sinh, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hoạt động kinh tế, trong cuộc sống
của con người. Một sự biến động trong cán cân cung cầu dầu khí đều lập tức ảnh
hưởng đến mọi lĩnh vực kinh tế, đến chính sách kinh tế, xã hội. Ngày nay, dầu khí
được coi là tài nguyên chiến lược, chịu sự kiểm soát trực tiếp hoặc gián tiếp của các
quốc gia.
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
10
I.4. Tính chất hóa lý của hydrocacbon [5]
Các khí hydrocacbon không màu, không mùi, không vị, trong quá trình chế
biến và sử dụng rất dễ gây nguy hiểm. Để xác định độ rò rỉ của khí hydrocacbon
người ta phải thêm vào trong thành khí chất tạo mùi tuỳ theo yêu cầu và mức độ an
toàn. Mercaptan là chất tạo mùi được sử dụng phổ biến trong quy trình xác định độ
rò rỉ của khí hydrocacbon.
Các khí hydrocacbon có tính chất khác nhau, hầu như không tan trong nước
nhưng lại có thể tan trong dung môi hữu cơ. Nhiệt độ sôi của các hydrocacbon no
mạch thẳng tăng dần theo số nguyên tử cacbon trong mạch.
I.4.1. Giới hạn cháy nổ
Giới hạn cháy nổ là phần trăm thể tính (%V) hoặc phần trăm mol của khí
trong hỗn hợp với không khí hoặc oxy nguyên chất có thể cháy nổ khi gặp nguồn
lửa.
Giới hạn cháy nổ dưới là phần trăm thể tích hoặc phần trăm mol nhỏ nhất của
khí trong hỗn hợp với không khí hoặc với oxy nguyên chất có thể cháy nổ khi gặp
nguồn lửa.

Giới hạn cháy nổ trên là phần trăm thể tích hoặc phần trăm mol lớn nhất của
khí trong hỗn hợp với không khí hoặc với oxy nguyên chất có thể cháy nổ khi gặp
nguồn lửa.
Vùng an toàn là vùng hỗn hợp khí có thành phần về phần trăm thể tích hoặc
phần trăm mol nằm ngoài vùng cháy nổ.
Giới hạn cháy nổ dưới và trên của các cấu tử i trong hỗn hợp với không khí
hoặc với oxy được tính theo công thức.
Y(
Nk
nk
N
n
N
n
N
n
++++
3
3
2
2
1
1
) = 100
Trong đó.
+ Y - Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp khí.
+ n1 - Phần trăm thể tích hoặc phần trăm mol.
+ Ni - Giới hạn cháy nổ cấu tử I được tra bảng dưới.
Bảng 1.3 Giới hạn cháy nổ của một số khí (%V) tại P= 1bar
Chất Hỗn hợp với không khí Hỗn hợp với oxy.

Giới hạn dưới. Giới hạn trên. Giới hạn dưới. Giới hạn trên.
CH
4
5.3 14 5.4 61.0
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
11
C
2
H
6
3.0 12.5 3.0 66.0
C
3
H
8
2.2 9.5 2.3 55.0
n-C
4
H
10
1.9 8.5 1.8 49.0
i-C
4
H
10
1.8 8.4 1.8 49.0
n-C
5
H
12

1.4 8.3 - -
n-C
6
H
14
1.2 7.7 - -
H
2
S 4.3 45.5
I.4.2. Nhiệt trị
Nhiệt trị của một chất là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy một lượng chất ấy để
tạo ra các oxyt cao nhất hoặc các chất bền.
- Nhiệt trị trên là nhiệt trị của phản ứng cháy khi nước sinh ra tồn tại ở thể
lỏng.
- Nhiệt trị dưới là nhiệt trị của phản ứng khi nước sinh ra tồn tại ở thể hơi.
I.4.3. Tỉ khối, khối lượng riêng
Khối lượng riêng của khí là khối lượng của của một đơn vị thể tích chất khí đó
ở nhiệt độ và áp suất nhất định.
ρ= m/V
Tỉ khối của chất khí là tỷ số giữa khối lượng riêng của không khí trong cùng
điều kiện nhiệt độ và áp suất.
I.4.4. Độ dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt của một chất được hiểu là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị tiết
diện vuông góc với phương truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian khi gradien
bằng đơn vị.
Các hydrocacbon ở thể lỏng có độ dẫn nhiệt gấp 10 lần so với các
hydrocacbon ở thể hơi. Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn nhiệt của các hydrocacbon lỏng
giảm tuyến tính với nhiệt độ. Các hydrocacbon khí độ dẫn nhiệt giảm khi phân tử
lượng tăng. Khi áp suất tăng độ dẫn nhiệt của hydrocacbon tăng theo do mật độ của
các phân tử hydrocacbon tăng theo.

I.5. Ứng dụng của khí [3]
Trước đây ở nước ta khí tự nhiên và khí đồng hành chưa được khai thác và sử
dụng một cách hợp lý. Khí đồng hành bị đốt bỏ ngay tại giàn khoan, khí tự nhiên
chưa được khai thác đúng cách, điều này đã gây lãng phí tài nguyên của đất nước.
Ngày nay con người đã biết cách sử dụng hợp lý nguồn khí đồng hành và khí tự
nhiên, ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau có thể làm nguyên liệu hoặc nhiên
liệu.
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
12
I.5.1. Ứng dụng làm nhiên liệu
Khí tự nhiên và khí đồng hành thường được sử dụng làm nhiên liệu vì nó có
những ưu điểm hơn so với các nhiên liệu khác.
- Cháy tạo ít muội ít gây ô nhiễm môi trường.
- Nhiệt trị cao và phân bố đều.
- Hệ thống cung cấp khí đơn giản có thể đưa vào hệ thống tự động hoá, so với các
nhiên liệu khác như dầu diezen, FO, củi…
Khí đồng hành và khí tự nhiên là nhiên liệu rẻ tiền nhưng lại có hiệu quả cao
được sử dụng trong các ngành kinh tế quốc dân như năng lượng, công nghiệp, khí
đốt dân dụng.
I.5.2. Ứng dụng làm nguyên liệu
Đối với các ngành công nghiệp hóa dầu ở các nước phát triển như ở Mỹ, Nhật
thì khí tự nhiên và khí đồng hành là nguồn nguyên liệu hết sức quan trọng, loại
nguyên liệu này mang lại lợi nhuận kinh tế rất lớn. Các loại khí này được ứng dụng
để sản xuất chất dẻo, PVC, metanol, dược phẩm
I.6. Nguồn khí và tiềm năng của Việt Nam
I.6.1. Nguồn khí
Nằm trên bán đảo Đông Dương, Việt Nam có phần đất liền trải dài từ 8
o
đến 22
o

vĩ bắc. Với một địa hình như vậy, Việt Nam có một đường bờ biển rất dài (trên
3200 km) tạo ra một vùng kinh tế biển rộng lớn, chứa nhiều tiềm năng kinh tế đầy
hứa hẹn của đất nước, đặc biệt là tiềm năng dầu khí (một trong những ngành công
nghiệp mũi nhọn hiện nay của đất nước).
Mặc dù kế hoạch tổng thể khí được tiến hành trong các năm 1995-1996, nhưng
các kết luận chính của báo cáo này về tiềm năng khí của Việt Nam vẫn còn có giá
trị. Tuy nhiên, các chương trình khoan sau đó, đã cho thấy trữ lượng khí có thể thu
hồi tại bồn trũng Nam Côn Sơn có thấp hơn dự kiến ban đầu, trong khi tại bồn trũng
Malay - Thổ Chu có cao hơn. Nguồn tài nguyên khí được phân bố trên khắp cả
nước, với phần lớn khí tập trung tại bồn trũng Nam Côn Sơn và bồn trũng Sông
Hồng. Có nhiều bỗn trũng đã tìm thấy khí bị nhiễm CO
2
cao nhất là khí không đồng
hành của bồn trũng Sông Hồng.
Từ những kết luận chính của nghiên cứu kế hoạch tổng thể khí về tiềm năng
khí, chúng ta có thể mô phỏng bức tranh chung về tiềm năng khí Việt Nam như sau:
Việt Nam có nguồn tài nguyên đáng kể với tổng trữ lượng dầu và khí có thể thu
hồi về mặt kỹ thuật là 780 triệu m
3
dầu và 160 tỉ m
3
khí đồng hành, 1130 tỉ m
3
khí
không đồng hành và 200 triệu m
3
condensat.
Các bồn trũng chứa dầu khí chính đến 90% trữ lượng có thể thu hồi về mặt kỹ
thuật của Việt Nam là Nam Côn Sơn, Cửu Long, Malay-Thổ Chu và Sông Hồng.
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước

13
Hầu hết trữ lượng khí của Việt Nam là khí không đồng hành chiếm 90%. Khối
lượng khí đồng hành tại các mỏ dầu đang khai thác hiện nay là tương đối nhỏ so với
trữ lượng khí đã phát hiện và sản lượng khí đồng hành phụ thuộc vào việc khai thác
dầu, nên việc sử dụng khí đồng hành cần phải có kế hoạch thu gom và bổ sung để
đảm bảo cung cấp khí lâu dài.

Bảng 1.4 Dự báo trữ lượng khí và tiềm năng các bể ở Việt Nam
Trữ lượng
Bể
Trữ lượng đã thẩm định
(Tỷ m
3
)
Trữ lượng tiềm năng
(Tỷ m
3
)
Sông Hồng 5,6 - 11.2 28 – 56
Cửu Long 42 - 70 84 - 140
Nam Côn Sơn 140- 196 532- 700
Mã Lai- Thổ Chu 14 - 42 84 - 140
Các bể khác 532 - 700
Tổng cộng 201,6 - 319,2 1260 -1760
I.6.2. Khả năng khai thác và cung cấp khí ở Việt Nam
Việt Nam hiện đang khai thác khí thương mại từ các mỏ Tiền Hải, Bạch Hổ và
Lan Tây. Mức sản xuất khí tương lai sẽ phụ thuộc vào hợp đồng mua bán khí với lô
06.1 (Lan Tây/ Lan Đỏ) và các mỏ khí khác như Rồng Đôi, Hải Thạch, Mộc Tinh.
Khả năng cung cấp khí lớn nhất và có hiệu quả là nguồn khí từ Nam Côn Sơn
với sản lượng khai thác 2,7 tỉ m

3
/năm từ Lan Tây/ Lan Đỏ bắt đầu cuối 2002 và đạt
lưu lượng ổn định năm 2005, cung cấp khí 4-5 tỉ m
3
/năm từ năm 2007 và có thể
tăng trên 7 tỉ m
3
/năm (đạt hết công suất đường ống Nam Côn Sơn) sau năm 2010 và
hy vọng với các phát hiện khí mới, bồn trũng Nam Côn Sơn sẽ đảm bảo cho sản
lượng khai thác này trên 30 năm.
Các nguồn khí đồng hành từ bồn trũng Cửu Long có thể cung cấp một sản
lượng đỉnh khoảng 5 tỉ m
3
/năm vào năm 2005, những cũng rất nhanh xuống 3 tỉ
m
3
/năm vào năm 2010. Tuy nhiên, cũng có thể một số các mỏ dầu khí khai thác tại
bồn trũng Cửu Long sẽ được phát hiện và có thể làm tăng thêm sản lượng này,
nhưng nói chung các mỏ đó là tương đối nhỏ và ít có khả năng phát triển kinh tế,
hơn nữa với công suất hạn chế của đường ống Bạch Hổ, phải tìm các phương án
giải quyết khác cho sản lượng khí đồng hành dư thừa không vận chuyển hết vào bờ,
hoặc xây dựng thêm một đường ống dẫn khí khác hoặc chế biến tại chỗ hay đốt bỏ,
tất cả đều phụ thuộc vào giá khí thu gom và thị trường tiêu thụ sản phẩm.
Mỏ Bạch Hổ kết hợp với mỏ Rồng bên cạnh hiện nay đang cung cấp khoảng 1,4
tỉ m
3
khí mỗi năm vào bờ cho nhà máy chế biến khí Dinh Cố. Sản phẩm khí khô
chiếm khoảng 85% (1,2 tỉ m
3
/năm) được sử dụng để phát điện, LPG (240 - 300

Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
14
nghìn tấn/năm) cho đun nấu gia đình/công nghiệp địa phương và condensat
(130.000 tấn/năm) cho chế biến xăng A83.
Bồn trũng Sông Hồng, nằm ngoài khơi phía Bắc và miền trung Việt Nam, hy
vọng có khả năng khai thác khí đáng kể. Tuy nhiên, cũng có dự kiến rằng phần lớn
khí ở đây là bị nhiễm nặng CO
2
, vì vậy khả năng khai thác có hiệu quả kinh tế bị
giảm rất nhiều. Bồn trũng Malay - Thổ Chu với một số lô có triển vọng, nhưng
trong thời gian thăm dò vừa qua đã cho thấy khu vực này chỉ có các mỏ khí nhỏ.
Mặc dù phần lớn khí đồng hành cho phía Việt Nam từ khu vực PM3 có thể đạt tới
2,5 tỉ m
3
/năm, nhưng lượng khí này chỉ tồn tại được trong vài năm. Sử dụng khí tại
đây cần phải kết hợp giữa các nhà khai thác để có thể tận dụng được nguồn khí
đồng hành sẵn có và bổ sung kịp 4 thời các nguồn khí không đồng hành khác.
CHƯƠNG 2: KHÍ TỔNG HỢP
2.1. Khái niệm
Khí tổng hợp là hỗn hợp khí N
2
, CO, H
2
có nhiệt trị cao dễ sử dụng, dễ điều
khiển tự động khi sử dụng để cấp nhiệt cho các lò có nhiệt độ cao, dễ vận chuyển và
đặc biệt khi đốt không có muội.
2.2. Ứng dụng của khí tổng hợp [1]
Ngoài tác dụng cấp nhiệt cho các lò công nghiệp, ứng dụng quan trọng nhất của
khí tổng hợp là dùng làm bán sản phẩm cho công nghiệp tổng hợp các hoá chất
khác.

Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
15
2.2.1. Tổng hợp chất hữu cơ
Xăng nhân tạo bắt đầu được nghiên cứu bởi Fisher và Tropsh năm 1932 và đến
1937 triển khai lần đầu tiên ở thành phố Leuna (Đức). Điều kiện tiến hành phản ứng
là nhiệt độ từ 200-500
o
C, áp suất 0,5-1 MPa, trên xúc tác Fe
2
O
3
n CO + 2nH
2
→ nCH
2
+ nH
2
O
nCH
2
+ H
2
→ CH
3
-(CH
2
)
n-2
-CH
3

Các hyđrocacbon thu được của phản ứng Fisher – Tropsh là hỗn hợp các
hydrocacbon với số nguyên tử cacbon có thể từ C
3
-C
18
hoặc cao hơn. Chúng được
chưng cất để sản xuất nhiên liệu cho động cơ.
2.2.2. Sản xuất metanol
Được tổng hợp lần đầu tiên ở Leuna (Đức) năm 1923. Phản ứng tiến hành
trong điều kiên nhiệt độ 400
o
C, áp suất 30MPa, chất xúc tác sử dụng là ZnO –
Cr
2
O
3
:
CO +2H
2
→ CH
3
OH
Metanol là một trong những nguyên liệu và dung môi quan trọng nhất cho
công nghiệp hoá học. Đặc biệt ứng dụng quan trọng nhất của methanol là để sản
xuất formaldehyt (nhiệt độ 530
o
C, xúc tác là Ag
2
O).
2CH

3
OH → 2CHO + 3H
2
Formaldehyt để sản xuất nhựa phenolformaldehyt và ureformaldehyt.
Phenolformaldehyt làm sơn cách điện và vật liệu cách điện, ureformaldehyt còn để
sản xuất thuốc nổ.
2.2.3. Tổng hợp andehyt và rượu mạch dài
Từ etylen và khí tổng hợp người ta sản xuất andehyt butylic (nhiệt độ 150-
200
o
C, áp suất từ 10-30 MPa.
CH
2
=CH
2
+ CO +H
2
→ CH
3
–CH
2
-CHO
Từ andehyt butylic người ta sản xuất nhựa polyvinyl Butiral, là nhựa duy nhất
có chiết suất bằng chiết suất của không khí.
Rượu mạch dài được tạo thành bởi các xúc tác là các vết kiềm theo phản ứng:
n CO +2n H
2
→ C
n
H

2n+1
OH + (n-1)H
2
O
Các rượu mạch dài từ C
4
-C
10
còn để sản xuất các loại chất hoá dẻo cho các loại
nhựa.
2.2.4. Sản xuất NH
3
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
16
Quá trình tổng hợp amoniac đi từ khí tự nhiên và đồng hành bao gồm 3 giai
đoạn:
a) Chuyển hóa khí tự nhiên và đồng hành thành khí tổng hợp, bằng quá trình
reforming hơi nước và oxy hóa một phần.
b) Loại bỏ CO và CO
2
vì chúng gây ngộ độc xúc tác. Người ta thực hiện việc
loại bỏ CO bằng cách :
Đầu tiên chuyển CO thành CO
2
bằng hơi nước theo phản ứng :
CO + H
2
O → CO
2
+ H

2
Sau đó CO
2
sẽ được loại bỏ bằng rửa nước, hấp thụ bằng dung dịch cacbonat
và mono etanolamin. Khi hàm lượng CO còn lại là đủ nhỏ người ta tiến hành tinh
chế khí nhờ quá trình metan hóa.
CO +3H
2
→ CH
4
+ H
2
O
để loại bỏ các oxit CO, CO
2
đến mức nhỏ hơn 10 ppm
c) Giai đoạn tổng hợp ammoniac.
N
2
+3H
2
→ 2 NH
3
+ 91,44kJ/mol
Đây là phản ứng toả nhiệt giảm thể tích do đó nếu giảm nhiệt độ, tăng áp suất
thì cân bằng chuyển dịch về bên phải, hiệu suất tổng hợp NH
3
tăng.
Tuỳ theo điều kiện áp suất người ta chia làm 3 quá trình:
- Quá trình tổng hợp áp suất thấp 10-15 MPa

- Quá trình tổng hợp áp suất trung bình 25-50 MPa
- Quá trình tổng hợp áp suất cao 60-100 MPa
Trong công nghiệp thường tiến hành phản ứng trong nhiệt độ từ 300-400
o
C.
Xúc tác phổ biến nhất là Fe
3
O
4
với các chất phụ gia là Al
2
O
3
; K
2
O và CaO, nó
đảm bảo được các yêu cầu, có hoạt tính cao trong thời gian dài, bền đối với các chất
độc và giá thành rẻ.
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
17

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
KHÍ TỔNG HỢP
3.1. Cơ chế của quá trình
Khí tổng hợp là hỗn hợp khí N
2
, CO, H
2
có nhiệt trị cao dễ sử dụng, dễ điều
khiển tự động khi sử dụng để cấp nhiệt cho các lò có nhiệt độ cao, dễ vận chuyển và

đặc biệt khi đốt không có muội.
Sản xuất khí tổng hợp có thể tiến hành theo các phương pháp:
- Khí hoá nhiên liệu rắn.
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
18
- Khí hoá nhiên liệu lỏng.
- Chuyển hoá cacbua hydro khí.
Sau đây ta chỉ xét phương pháp chuyển hoá cacbuahydro khí với cấu tử chính
là metan.
Có thể dùng H
2
O
hơi
, CO
2
và O
2
làm chất oxy hoá. Phản ứng oxy hoá không
hoàn toàn CH
4
.
CH
4
+ H
2
O → CO + 3H
2
- 205 kJ/mol (2.1.1)
CH
4

+ CO
2
→ 2CO + 2H
2
- 247kJ/mol (2.1.2)
CH
4
+ 1/2 O
2


→ CO + 2H
2
+ 36kJ/mol (2.1.3)
Với đồng đẳng của metan:
C
n
H
2n+2
+ nH
2
O → (2n + 1)H
2
+ nCO (2.1.4)
Trong sản phẩm khí thu được ngoài H
2
còn có CO.
Đồng thời còn xảy ra phản ứng chuyển hoá CO bằng H
2
O

hơi

CO + H
2
O
hơi
→ CO
2
+ H
2
+ 42 kJ/mol (2.1.5)
Khi chất oxy hoá là hơi nước
Các phản ứng xảy ra chủ yếu là
CH
4
+ H
2
O → CO + 3H
2
- 205 kJ/mol (2.1.1)
CO + H
2
O → CO
2
+ H
2
42 kJ/mol (2.1.5)
Hằng số cân bằng:
K
p1

= (P
CO
.P
3
H2
)/(P
CH4
.P
H2O
)
K
p5
= (P
CO2
.P
H2
)/(P
CO
.P
H2O
)

Bảng 3.1 Hằng số cân bằng của phản ứng (2.1.1) và (2.1.5)
Phản ứng 500
o
C 700
o
C 900
o
C

lnK
p
= A +
T
B
A B
CH
4
+ H
2
O
= CO +
3H
2
9,945.10
-3
(9,59.10
-3
)
12.71
(12,95)
1493
(1497)
30,4197 -27106,2
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
19
CO + H
2
O
= CO

2
+ H
2
4,999
(4,872)
1,576
(1,612)
0,7694
(0,7776)
-3,79762 4159,54
Các hydrocacbon cao hơn gây nên sự tạo thành cacbon mạnh hơn so với
metan, và những xúc tác đặc biệt chứa kiềm hoặc các xúc tác dựa trên cơ sở magiê
oxit hoạt động được dùng cho quá trình refoming Naphtha và những nguyên liệu
tương tự. Các chất hoạt hóa (xúc tác) làm cho quá trình hấp phụ hơi nước tăng lên.
Nhiều thiết bị reforming Naphtha bằng hơi nước được Topsoe/Chiyoda thiết
kế sử dụng xúc tác Topose trên cơ sở magie oxit hoạt tính. Khi sử dụng xúc tác
chứa kiềm tự do sẽ đạt được độ hoạt động cao. Điều này tạo ra tính linh động cao
trong một dãy các nguyên liệu, và thậm chí cả hợp phần keronsene cũng đó được
dùng như nguồn nguyên liệu cho quá trình.
a; Nhiệt độ ảnh hưởng đến cân bằng
Đặc điểm của phản ứng (2.1.1) là thu nhiệt và tăng thể tích, phản ứng (2.1.2)
là phản ứng thu nhiệt và thể tích không đổi.
Bảng 3.2 Sự phụ thuộc thành phần cân bằng của khí sau chuyển hoá ở các
nhiệt độ khác nhau khi P = 1atm
T
o
(K) Mức chuyển hoá Thành phần cân bằng, % thể tích
CH
4
CO CH

4
CO CO
2
H
2
H
2
O
800 38,80 29,98 16,21 2,36 7,94 38,74 34,75
900 75,90 32,90 5,33 9,51 7,28 57,71 20,17
1000 94,98 24,84 1,02 14,32 5,07 63,23 16,36
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
20
1100 99,50 19,24 0,10 16,08 3,86 63,68 16,28
Từ bảng có thể thấy: khoảng nhiệt độ từ 800 – 1100
0
K
- Khi nhiệt độ tăng từ 800 – 1100
o
K thì hiệu suất chuyển hoá CH
4
tăng, còn hiệu
suất chuyển hoá CO giảm, vì phản ứng tạo ra CH
4
là thu nhiệt, phản ứng tạo CO là
toả nhiệt. Nếu quá trình chuyển hoá CH
4
và CO trong cùng một thiết bị thì ô nhiệt
độ cao nồng độ CO còn lại cao, do đó không thể tăng cao nồng độ H
2

.
- Khi nhiệt độ chuyển hoá thấp (800
o
K) một lượng lớn CH
4
chưa phản ứng.
Kết luận: Để được nồng độ H
2
cao phải chuyển hoá hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: Chuyển hoá CH
4
ở nhiệt độ cao 830
o
C để CH
4
chuyển gần hoàn
toàn thành CO, lượng CH
4
còn lại chưa chuyển hoá dưới 0,5%.
Giai đoạn 2: Chuyển hoá CO ở nhiệt độ trung bình 370 – 420
o
C, nồng độ CO
còn lại 3 – 4%, chuyển hoá CO ở nhiệt độ thấp 180 – 230
o
C nồng độ CO còn lại
dưới 1%.
Thực tế sản xuất H
2
cho quá trình tổ hợp NH
3

, người ta thực hiện chuyển hoá
CH
4
ở giai đoạn 1 gồm 2 bậc, trong hai thiết bị chuyển hoá.
Bậc 1: Chuyển hoá CH
4
trong lò ống, với sự biết đổi không hoàn toàn, CH
4
còn lại 6 – 8%.
Bậc 2: Chuyển hoá CH
4
bằng không khí trong lò đứng, O
2
cháy với CH
4
không
hoàn toàn, còn lại N
2
, tạo tỷ lệ thích hợp H
2
/N
2
cho tổng hợp NH
3.
b; Ảnh hưởng của tỷ lệ H
2
O/CH
4

CH

4
+ H
2
O → CO + 3H
2
(2.1.1)
Theo phương trình tỷ trọng H
2
O/CH
4
= 1:1 = n
Khi tăng n dẫn đến tăng hiệu suất chuyển hoá CH
4
.
Ở 1000
0
K và P = 1 atm, ảnh hưởng của nước dư như bảng 3.3.
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nước đến độ chuyển hóa
n = H
2
O/CH
4
2 3 4
Mức độ chuyển hoḠCH
4,
x% 95,0 97,1 99,0
Khi n > 2, n càng cao mức tăng của x càng giảm.
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
21
Do ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ lệ của n cùng chiều với hiệu suất chuyển hoá,

do đó để giảm tỷ lệ H
2
O/CH
4
mà vẫn giữ được hiệu suất tức là x = const, người ta
thường tiến hành chuyển hoá ở nhiệt độ cao hơn một chút.
T tăng → x tăng
N giảm → x giảm
Mặt khác, tăng nhiệt độ còn làm tăng tốc độ phản ứng, do đó tăng nhiệt độ dễ
và hiệu quả hơn. Thực tế duy trì n = 2 – 2,5.
c; Ảnh hưởng của áp suất
Phản ứng CH
4
→ CO là phản ứng tăng thể tích nên khi áp suất tăng thì hiệu
suất giảm.
Phản ứng chuyển hoá CO → CO
2
là phản ứng thể tích không đổi, nhưng khi
áp suất tăng thì hiệu suất giảm chút ít.
Bảng 3.4 Mức chuyển hóa CH
4
và CO
P, atm Mức độ chuyển hoá, % Thành phần cân bằng, % thể tích
CH
4
CO CH
4
CO CO
2
H

2
H
2
O
1 94,98 24,84 1,02 14,32 5,07 63,23 16,36
10 54,31 25,09 11,18 7,15 6,14 46,01 26,52
20 41,55 22,73 15,26 4,91 5,93 38,47 35,43
50 36,16 23,00 17,15 3,80 5,90 35,05 38,10
Nhận xét: Khi áp suất tăng từ 1 - 30 atm thì mức độ chuyển hoá CH
4
giảm từ
94,98% xuống 36,16%. Để vẫn tiến hành ở áp suất cao mà có thể đạt được hiệu suất
lớn hơn 90% thì phải tăng nhiệt độ lên từ 730 – 1010
o
C để bù trừ ảnh hưởng của sự
tăng áp suất. Vì nhiệt độ tăng thì độ chuyển hoá tăng, áp suất tăng thì độ chuyển hoá
giảm.
Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất tới mức chuyển hoá CH
4
P, atm
T

(K) với 2% CH
4
còn
lại
T (K) với 0,5% CH
4
còn lại
T (K) với 0,22% CH

4
còn lại
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
22
1 700 - 800
10 870 950 1000
20 950 1030 1100
40 1020 1130 1200
Khi tiến hành chuyển hoá ở áp suất cao có lợi về mặt tiêu hao năng lượng vì
phản ứng tổng hợp NH
3
xảy ra ở áp suất cao.
CH
4
+ H
2
O → CO + 3 H
2
(2.1.1)
Nếu hỗn hợp khí ban đầu có 1 mol CH
4
và tỷ lệ H
2
O/CH
4
= n thì tại thời điểm
t, với độ chuyển hoá x, thì sau phản ứng số mol khí khô tăng lên là (1 + 3x). Do đó
giảm tiêu hao năng lượng nén khí từ 1 bar đến áp suất chuyển hoá P bar.
Bảng 3.6 Áp suất chuyển hóa
Áp suất chuyển hoḠatm Số mol khí phải nén đến áp suất

P P tổng hợp NH
3
1 1+3x 1+3x
P 1 1+3x
Thực tế chuyển hoá metan ở áp suất bằng 15 – 40 atm để giảm kích thước thiết
bị, tăng năng suất và tăng tốc độ phản ứng.
Tóm lại điều kiện công nghệ thường được áp dụng cho quá trình chuyển hoá
metan bằng hơi nước trong công nghiệp là:
Áp suất = 15 - 40 atm
Nhiệt độ = 800 – 1000
0
C
Tỷ lệ giữa hơi nước và metan = H
2
O/CH
4
= 2 – 2,5%.
d; Xúc tác
● Xúc tác và tốc độ phản ứng
Xúc tác trong quá trình reforming bằng hơi nước thường là Niken. Coban
được hoạt hoá bởi các oxit như Al
2
O
3
, MgO, Cr
2
O
3
, Th
2

O có độ bền cơ và bề mặt
lớn . Trên xúc tác này cân bằng được thiết lập sau chỉ 0,5-0,6 giây ở 700-800
o
C.
Các kim loại quý khác cũng được dùng, nhưng ít hơn. Việc dùng các xúc tác phi
kim loại đến nay chưa có hiệu quả kinh tế, bởi vì hoạt tính của chúng còn thấp.
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
23
Thành phần phổ biến của xúc tác Ni là Ni ( 5%), chất mang
2 3
(95%)Al O
α
−
,
chất kích hoạt
2 3
(1%)Al O
γ
−
.
- Chuẩn bị xúc tác: bằng phương pháp thấm chất mang
2 3
Al O
α
−
đã nung
bằng dung dịch nitrat nhôm và niken. Sau đó sấy và nung thì nitrat nhôm phân huỷ
tạo thành NiO trước khi xảy ra phản ứng khử NiO thành Ni nguyên tố.
- Hoàn nguyên xúc tác:
Dùng chất khử là H

2
ở nhiệt độ 670
o
K hoặc hỗn hợp (H
2
+H
2
O) ở nhiệt độ
870
o
K h-1070
o
K để khử NiO thành Ni.
Các tính chất của xúc tác được quyết định bởi các điều kiện làm việc, nghĩa là
nhiệt độ từ 450 ÷ 950
0a
C và áp suất riêng phần lên tới 3MPa (30atm). Hoạt tính của
xúc tác phụ thuộc vào diện tích bề mặt của Niken. Các tinh thể Niken sẽ vón cục
nhanh khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Tamman (590
0
C). Điều này có thể được ngăn
chặn một phần bằng hệ thống vi mao quản ổn định, bởi vì các phần tử Niken khó có
thể phát triển lớn hơn so với sự ngăn cản của đường kính lỗ mao quản.
Khả năng hấp thụ hóa học của metan là căn cứ để xác định tốc độ của quá
trình reforming bằng hơi nước. Quá trình có thể mô tả tổng thể bằng quy luật động
học bậc nhất tương ứng với metan, nhưng ảnh hưởng của hơi nước và hydro tới tốc
độ là rất phức tạp. Tốc độ chuyển hóa của phản ứng (2.1.1) có thể được giả định là
rất nhanh, và trong thực tế có thể xem là phản ứng này đạt trạng thái cân bằng ở khu
vực chính của thiết bị reforming.

Hình 3.1 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ chuyển hóa và tốc độ phản ứng
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
24
Hoạt tính của xúc tác reforming bằng hơi nước thường được biểu diễn qua hệ
số hiệu dụng là nhỏ hơn 10% do những sự cản trở của quá trình vận chuyển. Hệ số
hiệu dụng thấp (xem hình 3.1) có nghĩa là đối với loại xúc tác đã cho, hoạt tính xấp
xỉ tỷ lệ với diện tích bề mặt ngoài.
Hệ số hiệu dụng thấp (khi đang giả định động học là bậc nhất) có nghĩa là tốc
độ phản ứng hiệu dụng trên một đơn vị thể tích cho phản ứng reforming metan có
thể được viết như sau :

)CC(k.D
d
)1(6
r
cq44
CHCH1eff
PS
v
−
−
=
ε
(2.1.6)
Trong đó :
C
i cq
: Nồng độ mol cân bằng của cấu tử i (kmol/m
3
)

C
i
: Nồng độ mol của cấu tử i (kmol/m
3
)
D
eff
: Hệ số khuếch tán hiệu dụng (m
2
/h)
d
ps
: Đường kính hạt tương đương, trên cơ sở bề mặt (m)
k
i
: Hằng số vận tốc ở bên trong, trên cơ sở thể tích (h
-1
)
r
v
: Vận tốc phản ứng hiệu dụng, trên cơ sở thể tích (kmol/h/m
3
)
ε : Độ rỗng của tầng xúc tác
Kích thước và hình dạng hạt xúc tác phải được tối ưu hoá để đạt được hoạt
tính lớn nhất và khả năng truyền nhiệt tốt nhất trong khi độ giảm áp suất là nhỏ
nhất. Để cho vận tốc khối trong các thiết bị reforming bằng hơi nước cao phần tử
xúc tác cần phải có kích thước lớn để đạt được tổn hao áp suất ở mức thấp qua các
tầng xúc tác, nhưng kích thước hạt bị giới hạn bởi yêu cầu của việc nạp xúc tác. Độ
giảm áp suất phụ thuộc nhiều vào độ rỗng của lớp đệm và các sự giảm kích thước

hạt.
Tương tự, kích thước hạt có tác động không lớn lên hệ số truyền nhiệt. Sự lựa
chọn tối ưu là hạt xúc tác có độ rỗng cao và diện tích mặt ngoài lớn ( hình trụ có độ
rỗng lớn ).
Tóm lại, độ hoạt động hiệu dụng của xúc tác là một hàm phức tạp của kích
thước và hình dạng hạt và các điều kiện làm việc. Tuy nhiên điều đó không làm
giảm yêu cầu về độ hoạt tính cao của bản thân xúc tác, trong những trường hợp đặc
biệt là ở những khu vực của thiết bị reforming có dòng nhiệt cao.
● Sự ngộ độc của xúc tác niken
Đại Học Bách Khoa Hà Nội SV:Lê-Văn-Phước
25