Nguyên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất Amoniac từ khí khô với năng suất 450000 tấn một năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC





ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
Nguyên cứu thiết kế phân xưởng
sản xuất Amoniac từ khí khô với
năng suất 450000 tấn/năm




Giảng viên hướng dẫn: ThS. PHẠM HOÀNG ÁI LỆ
Sinh viên thực hiện: PHAN VĂN THỊNH
MSSV: 10034341
Lớp: DHHD6B
Khoá: 2010-2014




Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014
ii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
Nguyên cứu thiết kế phân xưởng
sản xuất Amoniac từ khí khô với
năng suất 450000 tấn/năm





Giảng viên hướng dẫn: ThS. PHẠM HOÀNG ÁI LỆ
Sinh viên thực hiện: PHAN VĂN THỊNH
MSSV: 10034341
Lớp: DHHD6B
Khoá: 2010 - 2014





Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014
i



NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

Họ và tên sinh viên: PHAN VĂN THỊNH

MSSV: 10034341
Chuyên ngành: Công nghệ Hóa Dầu
Lớp: DHDH6B
1. Tên đề tài khóa luận/đồ án: Nguyên cứu thiết kế phân xƣởng sản xuất Amonac
từ khí khô với năng suất 450000 tấn/năm
2. Nhiệm vụ:
- Tìm hiểu tổng quan quá trình sản xuất NH
3

- Lựa chọn dây chuyền công nghệ
- Mô phỏng dây chuyền công nghệ bằng phần mềm Hysys
- Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lƣợng bằng phƣơng pháp
thƣờng
- Tính toán cân bằng vật chất, năng lƣợng trên Hysys
- Thiết kế xây dựng , tính an toàn lao động
3. Ngày giao khóa luận/đồ án:
4. Ngày hoàn thành khóa luận/đồ án: 6/2014
5. Họ tên giáo viên hƣớng dẫn: ThS. Phạm Hoàng Ái Lệ

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm
Chủ nhiệm bộ môn Giáo viên hƣớng dẫn
chuyên ngành

TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
//

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc
//

ii

LỜI MỞ ĐẦU
Amoniac là sản phẩm của ngành công nghệ hoá học, có tầm quan trọng lớn
đối với sự phát triển của ngành kinh tế quốc dân, đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng của
từng quốc gia trong công nghiệp tổng hợp phân bón dùng cho nông nghiệp, và các
hƣớng 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
đƣợc 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 NH
3
với một lƣợng
không nhỏ cho các ngành nhƣ nông nghiệp, quốc phòng, làm chất tải lạnh. Vì vậy
việc phát triển lựa chọn công nghệ sản xuất NH
3
đóng vai trò quan trọng trong sự
phát triển chung của ngành công nghiệp hoá học.
Với lợi thế nguồn nguyên liệu khí tự nhiên dồi dào việc phát triển công nghệ
sản xuất NH
3
từ khí tự nhiên là hƣớng đi đúng đắn, nhằm tận dụng nguồn nguyên
liệu sẵn có.
Amoniac có nhiều ứng dụng trong thực tế nhƣ vậy cho nên đề tài “ Thiết kế
phân xƣởng sản xuất NH
3
từ khí tự nhiên” có ý nghĩa thực tế sâu sắc. Mục đích của
đề tài là sử dụng nguồn nguyên liệu khí tự nhiên sẵn có ở nƣớc ta một cách có hiệu

quả để sản xuất ra Amoniac làm chất hoá học trung gian phục vụ quá trình tổng hợp
ra các sản phẩm có ích đáp ứng nhu cầu cho nền kinh tế quốc dân.

iii


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


















Phần đánh giá:
 Ý thức thực hiện:
 Nội dung thực hiện:
 Hình thức trình bày:
 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014
Giáo viên hƣớng dẫn
(Ký ghi họ và tên)
iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014
Giáo viên phản biện
(Ký ghi họ và tên)


v

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC HÌNH ẢNH viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1
1.1. Tổng quan amoniac 1
1.1.1. Cấu tạo phân tử NH
3
1
1.1.2. Tính chất vật lý của NH
3
2
1.1.3. Tính chất hoá học của Amoniac 3
1.1.4. Ứng dụng Amoniac 5
1.1.5. Nguyên liệu sản xuất Amoniac 6
1.2. Các công nghệ sản xuất Amoniac 9
1.2.1. Lịch sử phát triển công nghệ sản xuất Amoniac 9
1.2.2. Công nghệ sản xuất Amoniac 10
1.2.3. Công nghệ của một số hãng trên thế giới 11

1.3. Lựa chọn công nghệ sản xuất Amoniac 19
1.3.1. Nguyên liệu 19
1.3.2. Dây chuyền sản xuất 19
1.3.3. Các quá trình trong dây chuyền Haldol Topsoe 19
Chƣơng 2: TÍNH TOÁN THÔNG THƢỜNG 34
1.1. Cân bằng vật chất 34
1.1.1. Chuyển hóa khí tự nhiên thành khí tổng hợp 34
1.1.2. Chuyển hóa CO từ khí tổng hợp và tinh chế khí 43
1.1.3. Tổng hợp NH
3
48
1.1.4. Hiệu chỉnh theo năng suất thiết kế 51
2.2. Cân bằng nhiệt lƣợng 55
2.2.1. Quá trình chuyển hóa khí tự niên thành khí tổng hợp 55
2.2.2. Quá trình chuyển hóa và tinh chế khí tổng hợp 63
vi

2.2.3. Cân bằng nhiệt ở hệ thống tổng hợp NH
3
71
2.2.4. Hiệu chỉnh cân bằng nhiệt lƣợng theo năng suất 74
2.3. Tính toán tháp tổng hợp 76
2.3.1. Chiều dày thân tháp tổng hợp 76
2.3.2. Tính chiều cao của tháp tổng hợp 79
Chƣơng 3: MÔ PHỎNG BẰNG HYSYS 84
3.1. Tổng quan phần mềm 84
3.1.1. Phần mềm mô phỏng 84
3.1.2. Phần mềm Hysys 85
3.1.3. Phƣơng pháp xây dựng mô hình mô phỏng phân xƣởng Amoniac 86
3.2. Mô phỏng hoàn chỉnh phân xƣởng Amoniac 91

3.2.1. Mô phỏng quá trình khử lƣu huỳnh 92
3.2.2. Mô phỏng quá trình reforming sơ cấp và thứ cấp 92
3.2.3. Mô phỏng quá trình chuyển hóa CO 94
3.2.4. Mô phỏng quá trình tách CO
2
bằng dung dịch MDEA 95
3.2.5. Mô phỏng quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp 95
3.2.6. Mô phỏng quá trình tổng hợp Amoniac và tách thu sản phẩm 96
3.2.7. Mô phỏng hoàn chỉnh toàn phân xƣởng Amoniac 97
3.3. Đánh giá, so sánh kết quả mô phỏng với tính toán thông thƣờng 98
3.3.1. Quá trình reforming sơ cấp và thứ cấp 98
3.3.2. Quá trình chuyển hóa CO 99
3.3.3. Quá trình tách CO
2
bằng dung dịch MDEA 100
3.3.4. Quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp 101
3.3.5. Quá trình tổng hợp Amoniac và tách thu sản phẩm 102
Chƣơng 4 : THIẾT KẾ XÂY DỰNG 104
4.1. Chọn địa điểm xây dựng 104
4.1.1. Các yêu cầu chung 104
4.1.2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng 104
4.1.3. Các yêu cầu về môi trƣờng vệ sinh công nghiệp 105
4.1.4. Yêu cầu khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 105
4.2. Giải pháp thiết kế tổng quan mặt bằng phân xƣởng 106
4.2.1. Nguyên tắc thiết kế tổng mặt bằng phân xƣởng 106
vii

4.2.2. Các hạng mục công trình 108
4.2.3. Mặt bằng nhà máy 110
Chƣơng 5: AN TOÀN, VỆ SINH LAO DỘNG 112

5.1. An toàn lao động 112
5.1.1. Mục đích 112
5.1.2. Ý nghĩa 112
5.1.3. Các biện pháp an toàn lao dộng 112
5.2. Công tác vệ sinh lao động 114
5.2.1. Vệ sinh đối với mặt bằng nhà máy 114
5.2.2. Hệ thống thông gió 115
5.2.3. Hệ thống chiếu sáng 115
5.2.4. Hệ thống vệ sinh cá nhân 115
KẾT LUẬN 116
KIẾN NGHỊ 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO 118
PHỤ LỤC 119
viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sơ đồ khối mô tả phƣơng pháp khí hoá than ở nhiệt độ cao. 6
Hình 1.2. Sơ đồ khối mô tả phƣơng pháp làm lạnh thâm độ tổng hợp NH
3
. 7
Hình 1.3. Sơ đồ khối tổng hợp NH
3
đi từ nguyên liệu thể lỏng hoặc thể khí 8
Hình 1.4. Sơ đồ dây chuyền công nghệ tổng hợp amoniac của KELLOGG 13
Hình 1.5. Sơ đồ công nghệ KBR Purifier 14
Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ Krupp Uhde 16
Hình 1.7. Sơ đồ công nghệ Haldor Topsoe 18
Hình 1.8. Sơ đồ công nghệ của quá trình khử lƣu huỳnh 20
Hình 1.9. Sơ đồ công nghệ của quá trình reforming 22
Hình 1.10. Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình chuyển hóa CO 24

Hình 1.11. Sơ đồ công nghệ của quá trình tách CO
2
bằng dung dịch MDEA 26
Hình 1.12. Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình methane hóa 27
Hình 1.13. Tháp tổng hợp Amoniac 32
Hình 3.1. Giao diện phần mềm mô phỏng Hysys. 86
Hình 3.2. Phƣơng pháp xây dựng mô hình mô phỏng phân xƣởng Amoniac 88
Hình 3.3. Thiết lập hệ cấu tử cho mô hình mô phỏng 89
Hình 3.4. Thiết lập hệ nhiệt động SRK-Twu (mặc định) cho mô hình mô phỏng 90
Hình 3.5. Mô hình mô phỏng quá trình khử lƣu huỳnh 92
Hình 3.6. Mô hình mô phỏng thiết bị reforming sơ cấp và thứ cấp 94
Hình 3.7. Mô hình mô phỏng quá trình chuyển hóa CO 94
Hình 3.8. Mô hình mô phỏng quá trình tách CO
2
bằng dung dịch MDEA 95
Hình 3.9. Mô hình mô phỏng quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp 96
Hình 3.10. Mô hình mô phỏng quá trình tổng hợp Amoniac và tách thu sản phẩm . 97
Hình 3.11. Mô hình mô phỏng hoàn chỉnh phân xƣởng Amoniac 98

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các thông số hoá lý cơ bản của NH
3
2
Bảng 2.1. Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming sơ cấp 38
Bảng 2.2. Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao 44
Bảng 2.3. Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp 45
Bảng 2.4. Cân bằng vật chất ở thiết bị tách CO
2

46
Bảng 2.5. Cân bằng vật chất ở thiết bị mêtan hóa 48
Bảng 2.6. Cân bằng vật chất ở tháp tổng hợp NH
3
50
Bảng 2.7. Cân bằng vật chất ở tháp tách NH
3
. 50
Bảng 2.8. Cân bằng vật chất cho toàn bộ hệ thống 51
Bảng 2.9 Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming sơ cấp 52
Bảng 2.10. Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming thứ cấp 52
Bảng 2.11. Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao 53
Bảng 2.13. Cân bằng vật chất ở thiết bị tách CO
2
53
Bảng 2.14. Cân bằng vật chất ở thiết bị mêtan hóa 54
Bảng 2.15. Cân bằng vật chất của tháp tổng hợp NH
3
54
Bảng 2.16. Cân bằng vật chất của tháp tách NH
3
54
Bảng 2.17. Cân bằng vật chất cho toàn bộ hệ thống 55
Bảng 2.18. Nhiệt dung đẳng áp của các cấu tử phụ thuộc vào nhiệt độ 55
Bảng 2.19. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 773 K (500
0
C) 56
Bảng 2.20. Nhiệt tạo thành của các cấu tử ở điều kiện chuẩn. 57
Bảng 2.21. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 1123 K (850
0

C) 58
Bảng 2.23. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị reforming sơ cấp. 60
Bảng 2.24. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 693 K. 61
Bảng 2.25. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 1273 K (1000
0
C. 62
Bảng 2.26. Cân bằng nhiệt ở thiết bị reforming thứ cấp 63
Bảng 2.27. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 593 K (320
0
C) 63
Bảng 2.28. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 593 K (320
0
C). 64
Bảng 2.29. Cân bằng nhiệt ở thiết bị chuyển hoá CO nhiệt độ cao. 65
x

Bảng 2.30. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 473 K (200
0
C). 65
Bảng 2.31. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 493 K (220
0
C) 66
Bảng 2.32. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị chuyển hoá nhiệt độ thấp. 67
Bảng 2.33. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 298 K (25
0
C). 67
Bảng 2.34. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị tách CO
2
. 68
Bảng 2.35. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 563K (290

0
C). 69
Bảng 2.36. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 603 K (330
0
C). 70
Bảng 2.37. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị mêtan hoá. 70
Bảng 2.38. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 673 K (400
0
C). 71
Bảng 2.39. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 803 K (530
0
C). 72
Bảng 2.40. Cân bằng nhiệt lƣợng ở tháp tổng hợp NH
3
. 72
Bảng 2.41. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 268 K (-6
0
C). 73
Bảng 2.42. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 240 K (-33
0
C). 73
Bảng 2.43. Cân bằng nhiệt ở thiết bị tách NH
3
. 74
Bảng 2.44. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị reforming sơ cấp 74
Bảng 2.45. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị reforming thứ cấp 74
Bảng 2.46. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao. 75
Bảng 2.47. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp. 75
Bảng 2.48. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị tách CO
2

. 75
Bảng 2.49. Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị mêtan hóa 75
Bảng 2.50. Cân bằng nhiệt lƣợng ở tháp tổng hợp NH
3
. 76
Bảng 2.51. Cân bằng nhiệt lƣợng ở tháp tổng hợp NH
3
. 76
Bảng 3.1. Kết quả so sánh của dòng vào Reforming thứ cấp (Feed_prirefor) 98
Bảng 3.2. Kết quả mô phỏng của dòng ra khỏi thiết bị reforming thứ cấp 99
Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng của dòng Pro_hight ra khỏi thiết bị chuyển hóa CO
nhiệt độ cao 99
Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng của dòng Pro_low ra khỏi thiết bị chuyển hóa CO
nhiệt độ thấp 100
Bảng 4.1. Các hạng mục công trình của phân xƣởng 108
1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN AMONIAC
1.1.1. CẤU TẠO PHÂN TỬ NH
3

NH
3
có một nguyên tử nitơ và 3 nguyên tử hiđrô. Nguyên tử N có 7 electron ở
lớp vỏ, tƣơng 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 lƣợng tử chính là 2.
Trong 5 electron này thì có một cặp chiếm obitan 2s và 3 electron không cặp đôi
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 vậy ta có:


Nguyên tử N nằm trên một đỉnh của hình tứ diện nằm trên một phằng của 3
nguyên tử H, 3 nguyên tử H xếp theo 1 hình tam giác đều, góc liên kết
H-N-H khoảng 107
O
. Mặc dù các liên kết N-H là những liên kết cộng hóa trị
nhƣng chúng có phần giống nhƣ liên kết ion, tại vì ngyên 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 NH
3
mà nó có một mômen lƣỡng cực khoảng 1,5 Debye.
Vì phân tử NH
3
có cùng cấu hình electron với nƣớc, góc hóa trị cũng tƣơng tự
nhƣ nƣớc nên NH
3
và H
2
O có nhiều tính chất giống nhau, đều là những chất nghịch
từ.







:N

.
.
.
+
3H
.

:N

H
H
H
N
o
H
H
o
o
H
o
2

1.1.2. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NH
3

Ở nhiệt độ thƣờng NH
3
là khí không màu, có mùi đặc trƣng, vị hăng có thể
gây ngạt thở, có tác dụng kích thích niêm mạc, khả năng hoà tan của amoniac phụ
thuộc vào nhiệt độ, áp suất, nhiệt độ càng tăng khả hoà tan amoniac càng giảm.

Ở nhịêt độ thƣờng NH
3
rất ổn định, nhƣng ở nhiệt độ cao ≥ 1200
0
C NH
3
dễ bị
phân huỷ, nếu có xúc tác NH
3
bị phân huỷ ngay ở 300
0
C. NH
3
là chất hoạt tính cao.
Một số thông số hoá lý cơ bản của amoniac: (Bảng 1).
Bảng 1.1. Các thông số hoá lý cơ bản của NH
3

Các đại lƣợng vật lý
Giá trị
Khối lƣợng phân tử, (kg/kmol)
17,0312
Nhiệt độ sôi ở 101,34 kpa (
0
C)
- 3375
Khối lƣợng riêng ở 0
0
C, 1 at (kg/m
3

)
0,77
Nhiệt độ tới hạn (
0
C)
132,4
Nhiệt bay hơi, (kj/kg)
1370
Nhiệt nóng chảy, (
0
C)
- 77,75
Khối lƣợng riêng ở 0
0
C, 1 at, (Cp)
2220
Thể tích phân tử ở 0
0
C; 101,3 kpa, (l/mol)
22,08
Tỷ trọng chất lỏng ở - 33,,43
0
C; 101,3 kpa (g/cm
3
)
0,682
Tỷ trọng chất lỏng ở 0
0
C; 101,3 kpa (g/cm
3

)
0,6383
Tỷ trọng chất khí ở 0
0
C; 101,3 kpa (g/cm
3
)
0,638
Tỷ trọng chất khí ở - 33,43
0
C; 101,3 kpa (g/cm
3
)
0,888
Áp suất tới hạn, (at)
111,5
Áp suất hơi, (kpa)
6,077
Độ nhớt tới hạn (mpa.s)
23,9.10
-3

Điểm nóng chảy (
0
C)
- 77,71
Entanpi sinh chuẩn ở 25
0
C, (j/kmol)
192,731

3

Giới hạn nổ hỗn hợp NH
3
với oxy ở 20
0
C; 101,3kpa
15 ÷ 79%
Giới hạn nổ hỗn hợp NH
3
với không khí ở 20
0
C; 101,3kpa
16 ÷ 27%
Hệ số nén tới hạn
0,242
Hệ số dẫn nhiệt tới hạn (kj.k
-1
.h
-1
.m
-1
)
0,522
Hệ số dẫn nhiệt ở - 35
0
C điều kiện rất tinh khiết (Ω
-1
.cm
-1

)
0,1
Hệ số dẫn nhiệt ở 0
0
C, 1 at
0,0215
Hằng số K = Cp/Cv
1,25
Hằng số e
626,66

1.1.3. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC CỦA AMONIAC
1.1.3.1. Tính bazơ yếu
 Tác dụng với nƣớc
Khi tan trong nƣớc, một phần nhỏ các phân tử amoniac kết hợp H
+
của nƣớc
tạo thành ion amoniac (NH4
+
) và ion hidroxit (OH
-
).
3 2 4
NH H O NH OH



Ion OH
−
làm cho dung dịch có tính bazơ, tuy nhiên so với dung dịch kiềm

mạnh (thí dụ NaOH) cùng nồng độ, thì nồng độ ion OH
−
do NH
3
tạo thành nhỏ hơn
nhiều. Trong dung dịch, amoniac là một bazơ yếu: ở 25
0
C, hằng số phân li ba
zo K
b
=1,8.10
−5
. Dung dịch amoniac làm cho phenolphtalein từ không màu chuyển
sang màu hồng, quỳ tím chuyển sang màu xanh. Lợi dụng tính chất này ngƣời ta
dùng giấy quỳ tím ẩm để nhận ra khí amoniac.
 Tác dụng với axit
Amoniac (dạng khí cũng nhƣ dung dịch) kết hợp dễ dàng với axit tạo thành
muối amoni.
3 2 4 4 2 4
34
2 ( )NH H SO NH SO
NH H NH




4

Khi đặt hai bình mở nút đựng dung dịch HCl đặc và NH3 đặc gần nhau thì
thấy có "khói" màu trắng tạo thành. "Khói" là những hạt nhỏ li ti của tinh thể muối

amoni clorua (NH
4
Cl). Muối này đƣợc tạo thành do khí amoniac và khí hiđro clorua
hóa hợp với nhau.
NH
3
(k)+HCl(k)→NH
4
Cl(r)
Phản ứng này cũng đƣợc sử dụng để nhận ra khí amoniac.
 Tác dụng với dung dịch muối
Dung dịch amoniac có khả năng làm kết tủa nhiều hiđroxit kim loại khi tác
dụng với dung dịch muối của chún
3
3 2 3 4
3 3 ( ) 3Al NH H O Al OH NH

   

1.1.3.2. Khả năng tạo phức
Dung dịch amoniac có khả năng hòa tan hiđroxit hay muối ít tan của một số
kim loại, tạo thành các dung dịch phức chất
Cu(OH)
2
+4NH
3
→[Cu(NH3)
4
](OH)
2

Cu(OH)
2
+4NH
3
→[Cu(NH
3
)
4
]
2+
+2OH
−

AgCl+2NH
3
→[Ag(NH
3
)
2
]Cl
AgCl+2NH
3
→[Ag(NH
3
)
2
]
+
+Cl

−

Sự tạo thành các ion phức [Cu(NH
3
)
4
]
2+
,[Ag(NH
3
)
2
]
+
, xảy ra do các phân tử
amoniac kết hợp với các ion Cu
2+
, Ag
+
, bằng các liên kết cho-nhận giữa cặp
eletron chƣa sử dụng của nguyên tử nitơ với obitan trống của ion kim loại.
1.1.3.3. Tính khử
 Tác dụng với oxi
Khi đốt trong khí oxi, amoniac cháy với ngọn lửa màu vàng, tạo ra khí nitơ và
hơi nƣớc
4NH
3
+3O
2
→ 2N

2
+6H
2
O
5

Khi đốt amoniac trong oxi không khí có mặt chất xúc tác thì tạo ra khí NO và
nƣớc
4NH
3
+5O
2
→ 4NO + 6H
2
O
 Tác dụng với clo
Dẫn khí NH3 vào bình chứa khí clo, NH3 tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa có
“khói” trắng
2NH
3
+3Cl
2
→ N
2
0+6HCl
"Khói" trắng là những hạt NH4Cl sinh ra do khí HCl vừa tạo thành hóa hợp
với NH3.
 Tác dụng với oxit kim loại
Khi đun nóng, NH3 có thể khử một số oxit kim loại thành kim loại , chẳng
hạn NH3 khử CuO màu đen tạo ra Cu màu đỏ, nƣớc và khí N

2
2NH
3
+3CuO → Cu+N
2
0+3H
2
O
1.1.4. ỨNG DỤNG AMONIAC
Amoniac đƣợc sử dụng cả trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày. Cụ
thể:
Dung dịch nƣớc của NH
3
có nồng độ 25% hoặc thấp hơn thƣờng đƣợc dùng
trong các phòng thí nghiệm và trong đời sống.
Dung dịch NH
3
đƣợc sử dụng trong nông nghiệp nhƣ: tạo môi trƣờng chống
đông (nồng độ NH
3
0,03% và axit boric 0,2-0,5%) để bảo quản mủ cao su (latex)
hoặc đƣợc sử dụng trực tiếp làm phân bón.
Dung dịch amoniac hoặc amoniac lỏng đƣợc sử dụng trong xử lý môi trƣờng
nhằm loại các NOx hoặc SOx trong các các khí thải khi đốt các nguyên liệu hóa
thạch (than đá, dầu, v.v…). Quá trình này thƣờng có thể phải dùng chất xúc tác
chứa vanađi.
6

Dung dịch amoniac hoặc amoniac lỏng đƣợc sử dụng trong công nghiệp sản
xuất phân bón, hóa chất và hóa dƣợc.

1.1.5. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AMONIAC
1.1.5.1. Nguyên liệu ở thể rắn
 Nguyên liệu
- Nguyên liệu rắn nhƣ than đá…
- Hơi nƣớc.
- Không khí hoặc không khí giàu oxy.
 Phương pháp
Phƣơng pháp sản xuất này đƣợc mô tả ở sơ đồ hình khối















Hình 1.1. Sơ đồ khối mô tả phƣơng pháp khí hoá than ở nhiệt độ cao.
Khí sau phản ứng
Chuyển hoá CO
Khử hợp chất sulfur
Nén khí nguyên liệu
Rửa đồng để khử
CO và khử CO

2

bằng dung dịch
kiềm
Khử phần lớn
CO
2
bằng H
2
O
hoặc dung dịch
kiềm
Tổng hợp NH
3

Nguyên liệu
7

1.1.5.2. Nguyên liệu khí lò cốc có chứa hydro
 Nguyên liệu
- Khí lò cốc
- Không khí
 Phương pháp: Phƣơng pháp này đƣợc mô tả trong sơ đồ hình khối sau:

Hình 1.2. Sơ đồ khối mô tả phƣơng pháp làm lạnh thâm độ tổng hợp NH
3
.
Tổng hợp NH
3

Nén khí nguyên liệu
Khí giàu C
2
H
4

Khử sạch CO
2
bằng N
2
lỏng
Làm lạnh thâm độ
Khử CO
2
bằng chất hấp thụ
Khử sạch hợp chất sulfur
Khí lò cốc
Đƣợc oxy
Khí Nitơ
Không khí
Khử sạch CO
2
sấy khô
Làm lạnh thâm độ phân ly
Nguyên liệu
8

1.1.5.3. Nguyên liệu thể lỏng hoặc thể khí
 Nguyên liệu
- Nguyên liệu thể lỏng hoặc thể khí: bã cốc dầu mỏ

- Hơi nƣớc.
- Không khí hoặc không khí giàu oxy.
Chúng đƣợc chuyển hoá hoặc oxy hoá không hoàn toàn.
 Phương pháp
Phƣơng pháp này đƣợc mô tả ở trong sơ đồ hình khối


Hình 1.3. Sơ đồ khối phƣơng pháp tổng hợp NH
3
đi từ nguyên liệu thể lỏng
hoặc thể khí

Ngƣyên liệu
Nén khí nguyên liệu
Khử sạch hợp chất sulfur
Khử phần lớn CO
2

bằng H
2
O hoặc dung
dịch kiềm
Khử CO bằng
dung dịch đồng
Tổng hợp NH
3

Chuyển hoá CO
9

1.1.5.4. Nguyên liệu khí tự nhiên
Khí tự nhiên có mặt ở rất nhiều nơi trên thế giới nhƣ Trung đông, Đông nam á,
Châu âu, Mỹ…
Về thành phần của khí tự nhiên qua các nghiên cứu cho thấy, với mỗi quốc gia
có thành phần khí tự nhiên khác nhau, nhƣng thành phần chủ yếu trong khí tự nhiên
là khí metan, từ 70% trở lên.
Ở Việt nam chúng ta khí tự nhiên có ở cả miền Bắc và miền Nam. Miền Bắc
có mỏ khí tìm đƣợc ở Tiền Hải – Thái Bình vào năm 1981. Phía Nam có các mỏ
nhƣ Nam Côn Sơn, Lan Tây, Lan đỏ…, với trữ lƣợng tƣơng đối lớn, ngoài ra nguồn
khí đồng hành cũng cung cấp một khối lƣợng khí không nhỏ.
1.2. CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC
1.2.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC
Sản phẩm amoniac đã xuất hiện rất sớm từ đầu thế kỷ 18. Khi đó ngƣời ta tổng
hợp amoniac ở áp suất cao và nhiệt độ cao, tới năm 1821 ngƣời ta cố gắng tổng hợp
amoniac có sự trợ giúp của xúc tác nhƣng không đạt đƣợc.
Vào năm 1860, bằng phƣơng pháp hồ quang ngƣời ta tổng hợp đƣợc amoniac
từ nitơ và hydro nhƣng hiệu quả không cao.
Do nhu cầu sử dụng amoniac ngày một nhiều nên đã có nhiều phƣơng pháp
tổng hợp amoniac ra đời, năm 1961 tổng hợp amoniac với xúc tác sắt nhiệt độ cao,
với hiệu quả 0,1%.
Tới năm 1930, việc tổng hợp amoniac đã thành công với nhiều loại xúc tác
khác nhau nhƣng hiệu quả cao nhất là xúc tác kim loại Ni.
Công ty Kellogg đƣa ra công nghệ tổng hợp NH
3
“tối đa hoá năng lƣợng” vào
thập kỷ 60, nhiệt sinh ra từ các phản ứng chuyển hoá khí tự nhiên và các quá trình
tuần hoàn, phức tạp, hiệu quả kinh tế phụ thuộc công suất của nhà máy, công suất
càng lớn hiệu quả kinh tế cao, đồng thời hiệu quả kinh tế còn phụ thuộc vào dây
chuyền công nghệ.
10

Vào năm 1988, với công nghệ mang tên LCA, công ty ICI của Anh đã có một
bƣớc đột phá mới trong công nghệ tổng hợp NH
3
ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp
hơn các phƣơng pháp cũ. Công nghệ này sử dụng xúc tác hoạt tính cao, đƣa vai trò
xúc tác làm nền tảng cho công nghệ tổng hợp NH
3
. Ngày nay dây chuyền sản xuất
NH
3
hiện đại có thể đạt đƣợc năng suất từ 1200 ÷ 1500 tấn/ngày đêm.
Ở nƣớc ta hiện nay có nhà máy phân đạm Hà Bắc sản xuất NH
3
từ than nhƣng
công nghệ lạc hậu và hiệu quả không cao. Năm 2004 với dự án nhà máy khí Điện
Đạm Phú Mỹ đã đi vào hoạt động với công suất 1200 tấn/ngày đã sử dụng phần nào
nguồn nguyên liệu sẵn có, đáp ứng nhu cầu sử dụng NH
3
cho tổng hợp phân đạm và
các ngành công nghiệp hoá học khác.
Các công nghệ sản xuất amoniac tuỳ thuộc vào từng hãng thiết kế khác nhau
mà có những ƣu việt khác nhau, và chúng có những điểm chung trong dây truyền
công nghệ, dựa vào áp suất ngƣời ta chia ra 3 phƣơng pháp tổng hợp amoniac khác
nhau nhƣ sau:
 Tổng hợp áp suất thấp: 100 ÷ 160 atm
 Tổng hợp áp suất trung bình: 250 ÷ 360 atm
 Tổng hợp áp suất cao: 450 ÷ 1000 atm
1.2.2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC
1.2.2.1. Tổng hợp amoniac áp suất cao

Phƣơng pháp này thực hiện ở áp suất 450 ÷ 1000 atm. Đƣợc thực hiện ở áp
suất cao nên quá trình chuyển hoá diễn ra nhanh, hiệu suất phản ứng cao, cƣờng độ
sản xuất lớn, dễ phân tách NH
3
khỏi phản ứng.
Bên cạnh đó do áp suất cao, việc chế tạo thiết bị khó khăn hơn, tháp phải có
chiều dày để chống nổ, các đƣờng ống dẫn phải đƣợc thiết kế cho phù hợp với áp
suất cao, việc áp suất cao sẽ tiêu tốn năng lƣợng là điều phi kinh tế, đồng thời nhiệt
độ cao khả năng tái sử dụng xúc tác giảm, thời gian sử dụng xúc tác thấp. Chính
những bất lợi trên mà phƣơng pháp này ít đƣợc sử dụng.

11

1.2.2.2. Tổng hợp amoniac áp suất trung bình
Dây chuyền tổng hợp amoniac ở áp suất trung bình sử dụng năng lƣợng ít hơn
phƣơng pháp áp suất cao, thiết bị dễ chế tạo hơn phƣơng pháp áp suất cao, do vậy
mà hiệu quả kinh tế cao hơn, phƣơng pháp này đƣợc sử dụng rộng rãi vào thập kỷ
70 của thế kỷ trƣớc.
1.2.2.3. Tổng hợp amoniac áp suất thấp
Quá trình tổng hợp áp suất thấp có ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng pháp
khác, do quá trình thực hiện ở áp suất thấp mà chế tạo thiết bị gọn nhẹ hơn nên giá
thành vừa phải. Ở áp suất thấp nhiệt độ làm việc thấp, dễ vận hành và điều chỉnh
nhiệt độ. Xúc tác sử dụng bền, quá trình sản xuất khí tổng hợp ở áp suất cao, lợi
dụng áp suất cao này vào cho quá trình nén khí, giảm tiêu tốn năng lƣợng, phƣơng
pháp này đảm bảo cho an toàn lao động
Bên cạnh những ƣu điểm trên thì phƣơng pháp tổng hợp áp suất thấp có nhƣợc
điểm là hiệu suất tổng hợp không cao, nồng độ NH
3
đạt đƣợc khoảng 8 ÷ 25%, yêu
cầu sử dụng xúc tác lớn, không tốt về cần bằng nhiệt động tiêu tốn năng lƣợng cho

tuần hoàn.
1.2.3. CÔNG NGHỆ CỦA MỘT SỐ HÃNG TRÊN THẾ GIỚI
1.2.3.1. Công nghệ Kellog
Vào thập kỷ 70 thế kỷ trƣớc Kellogg đã áp dụng phƣơng pháp tổng hợp áp
suất thấp, và là hãng đầu tiên áp dụng phƣơng pháp này.
Sơ đồ công nghệ
Từ khí tự nhiên qua công đoạn tách lƣu huỳnh, và các hợp chất chứa lƣu
huỳnh đƣợc đƣa vào phản ứng với hơi nƣớc có gia nhiệt thêm (quá trình Reforming
sơ cấp) tạo ra H
2
, CO, CO
2
hỗn hợp này đƣợc đƣa đến thiết bị reforming thứ cấp để
chuyển hoá hết lƣợng CH
4
còn lại sau quá trình reforming sơ cấp.
Sau quá trình reforming sơ cấp, thứ cấp thu đƣợc khí tổng hợp, rồi đƣa tới
tháp chuyển hoá nhiệt độ cao và thấp để chuyển hết CO thành CO
2
. Sau đó CO
2

12

đƣợc hấp thụ đem đi tái sinh, hỗn hợp khí sau khi tách CO
2
tái sinh đi vào tháp khử
hết CO metan hoá cho phép (CO + CO
2
≤ 5ppm). Sau đó đƣợc nâng lên nhiệt độ

480
0
C, 195 ÷ 320 atm dẫn tới tháp tổng hợp với xúc tác Fe. Sản phẩm tạo thành
đƣợc đƣa sang tháp tách NH
3
, khí chƣa chuyển hoá đƣợc nén trở lại tháp tổng hợp
NH
3
.
Điểm đặc biệt của công nghệ Kellogg là nhiệt độ cao quá trình reforming sơ
cấp đƣợc các ống xoắn tách tái sử dụng thiết bị đun sôi, chạy hơi cao áp, chạy tua
bin máy nén ly tâm.
Công nghệ Kellogg còn một số nhƣợc điểm
+ Tiếng ồn.
+ Công suất hạn chế.
+ Máy nén tuabin, các thiết bị, đƣờng ống hơi cao áp có giá thành cao.
1 – Máy nén 2 - Thiết bị tách lƣu huỳnh.
3 – Reforming sơ cấp, 4 - Thiết bị đun sôi phụ trợ.
5 – Công đoạn trao đổi nhiệt đối lƣu. 6 - Cột khí thải.
7 – Reforming thứ cấp. 8 - Thiết bị trao đổi nhiệt.
9 - Nồi hơi. 10-Chuyển hoá CO nhiệt độ cao.
11- Chuyển hoá CO nhiệt độ thấp. 12 – Tháp metan hoá.
13 – Tháp hấp thụ CO
2
. 14 – Tách dầu.
15 – Thu hồi CO
2
. 16-Thiết bị chuyển hoá ammniac
17- Thiết bị tách Amoniac áp suất cao.
18 – Thùng chứa Amoniac. 19 - Thiết bị thu hồi Amoniac.

13

Hình 1.4. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP AMONIAC CỦA
KELLOGG
Amoniac
Cacbon dioxyt
Khí tự nhiên
Không khí
Hơi nƣớc