Tìm hiểu công nghệ sản xuất amoniac và tính toán cân bằng cho tháp tổng hợp amoniac

Đồ án môn học công nghệ hóa dầu

TR
ƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
KHOA DẦU KHÍ
BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU
----------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG NGHỆ HÓA DẦU VÀ CHẾ BIẾN POLYME
Đề tài: “ Tìm hiểu công nghệ sản xuất amoniac và tính toán cân bằng
cho tháp tổng hợp amoniac “

Page 1


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu

Mở Đầu


Amoniac là một hợp chất hóa học quan trọng, có ý nghĩa to lớn trong các
nghành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa học. Hiện nay, ammoniac được sử dụng
rộng rãi trong hầu hết tất cả các lĩnh vực trong cuộc sống như nó được sử dụng để sản
xuất phân đạm, thuốc nổ, các loại sợi tổng hợp,các loại nhựa…
Đặc biệt trong công nghiệp dầu mỏ NH 3 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.NH 3 dùng để điều chế aluminu silicat tổng

hợp làm xúc tác trong thiết bị cracking xúc tác lớp cố định. Trong quá trình hydrat hóa
silic, NH3 kết tủa với nhôm sunfat ( Al2(SO4)3) để tạo một dạng gel. Sau đó rửa tạp chất
Al2(SO4)3 được sấy khô và tạo hình.
Amoniac có nhiều ứng dụng như vậy cho nên đề tài “ Thiết kế phân xưởng sản
xuất NH3 từ khí tự nhiên” có ý nghĩa thực tế sâu sắc. Công nghệ tổng hợp amoniac được
đưa vào sử dụng trong quy mô công nghiệp mới được khoảng một thế kỷ. Nhưng do nhu
cầu lớn về cơ cấu nguyên liệu, về dây chuyền và thiết bị, về hệ thống điều chỉnh điều
khiển quá trình sản xuất, ... đều đã có những thay đổi to lớn . Các công nghệ sản xuất
amoniac hiện nay gồm có: công nghệ reforming hơi nước, công nghệ oxy hóa không
hoàn toàn. Ở mỗi công nghệ có các qui trình sản xuất riêng phù hợp với nguồn nguyên
liệu thô cũng như mục đích sử dụng.
Với đồ án “ Thiết kế phân xưởng sản xuất NH 3 từ khí tự nhiên” em đã tìm hiểu về
các vấn đề có liên quan đến NH 3 như nguồn nguyên liệu, các công nghệ để sản xuất cũng
như các điều kiện công nghệ…
Để hoàn thành được đồ án là sự nỗ lực cố gắng của bản thân em và sự giảng dạy
hướng dẫn tận tình của cô giáo TS.Nguyễn Thị Linh, tuy nhiên trong bài đồ án của em
vẫn sẽ không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của cô
để đồ án luận được hoàn chỉnh hơn và em sẽ có thêm được những kinh nghiệm quí báu
để hoàn thành các bài đồ án ở các môn học sau được tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !

Page 2


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu

Chương I:

Tổng quan lý thuyết

Giới thiệu về NH3:
1. Định nghĩa:
Amoniac là một hợp chất vô cơ có công thức phân tử NH3. Ở điều kiện tiêu
chuẩn, nó là một chất khí độc, có mùi khai, tan nhiều trong nước.
2. Tính chất:
a. Tính chất vật lý:
- Amoniac là một chất khí không màu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí.
Nó có nhiệt độ nóng chảy là -77,750C và nhiệt độ sôi là -33,350C. Là phân
tử có cực, amoniac tan rất dễ trong nước, một lít nước ở 00C hoà tan 1200
lít khí NH3 , ở 200C là 700 lít NH3 .
- Do có cực tính lớn, những phân tử amoniac có khả năng kết hợp với nhau
nhờ liên kết hydro cho nên nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và nhiệt hoá hơi
của nó ( 22,82 kJ/mol ) quá cao so với những hợp chất tương tự
- Amoniac lỏng có hằng số điện môi[5] tương đối lớn nên là một dung môi
ion hoá tốt đối với nhiều chất. Cũng như nước, amoniac lỏng tự phân ly
theo quá trình :
2NH3
NH4+ + NH2
Hằng số điện ly rất bé , tích số ion của amoniac lỏng ở -500C

I.

K

-

− 50 0 C

=C

.C −
NH +
NH 2
4

= 2.10 −33

Tương tự với nước, những chất nào khi tan trong amoniac lỏng mà làm
tăng nồng độ NH4+ là axit và làm tăng nồng độ NH2 là bazơ
Amoniac lỏng có khả năng hoà tan các kim loại kiềm và kiềm thổ tạo nên
dung dịch có màu lam thẫm.
Độ nhớt dung dịch amoniac ở -20 ÷ 1500C và áp suất 0,098 MPa có thể
được xác định theo công thức:

η = 9,83.10 −6 + 2,75.10 −8.v + 2,8.10 −11 v 2

-

Một số hằng số vật lý quan trọng của amoniac được thể hiện trong bảng
sau :

Tên

Hằng số
Page 3


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Phân tử lượng

17,0312

Thể tích phân tử ở 00C, 101,3kPa

22,08 ( l/mol )

Hằng số khí R

0,48818 (kPa .m3/kg.k)

Tỷ trọng của lỏng ở 00C và 101,3 kPa

0,6386 ( g/cm3 )

Tỷ trọng của khí ở 00C và 101,3 kPa

0,7714 ( g/l )

Tỷ trọng của lỏng ở -33,430C và 101,3kPa

0,682 (g/cm3 )

Tỷ trọng của khí ở -33,430C và 101,3kPa

0,888 ( g/l )

áp suất tới hạn

11,28 ( MPa )

Nhiệt độ tới hạn

132,4 ( 0C )

Tỷ 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.h.m )

Độ nhớt tới hạn

23,90.10-3 ( mPa.s )

Nhiệt độ nóng chảy (tại điểm ba*)

-77,71 ( 0C )

Nhiệt độ nóng chảy (ở 101,3kPa)

332,3 ( kJ/kg )

áp suất hơi (tại điểm ba*)

6,077 ( kPa )

Điểm sôi (ở 101,3kPa)

-33,43 ( 0C )

Nhiệt hoá hơi (ở 101,3kPa)

1370 ( kJ/kg )

Page 4


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Entanpi tiêu chuẩn của khí (ở 250C)

-45,72 ( kJ/mol )

Entropi tiêu chuẩn của khí (ở 250C)

192,731 ( J/molK )

( * là điểm đồng thời tồn tại ba pha rắn, lỏng, khí cân bằng nhau )
b. Tính chất hóa học:

II.

Amoniac là chất khá hoạt động. Với cặp electron tự do ở nitơ, amoniac có
khả năng kết hợp dễ dàng với nhiều chất
- Trên nguyên tử nitơ của amoniac có cặp electron tự do nên amoniac có
tính bazơ và có thể xảy ra phản ứng hóa học:
NH3 + H+ → NH4+
- Trong amoniac, nitơ có số oxi hóa thấp nhất nên amoniac có tính khử. Ví
dụ như trong phản ứng hóa học:
2NH3 + 3Cl2 → N2 + 6HCl
- Thêm nữa, amoniac tương đối kém bền bởi nhiệt. Nó có thể bị phân hủy
tại nhiệt độ cao theo phản ứng hóa học:
2NH3 → N2 + 3H2
Một số ứng dụng của amoniac:
- Trong công nghiệp sản xuất phân bón, Amoniac dùng để sản xuất ra các
loại đạm
- 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 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, NH 3 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 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 NH 3
thêm vào dòng khí trước khi đưa vào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc
tác đã sử dụng, NH3 còn dùng để điều chế aluminu silicat tổng hợp làm xúc

tác trong thiết bị cracking xúc tác lớp cố định. Trong quá trình hydrat hóa
silic, NH3 kết tủa với nhôm sunfat ( Al2(SO4)3) để tạo một dạng gel. Sau đó
rửa tạp chất Al2(SO4)3 được sấy khô và tạo thành.
Page 5


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
NH3 còn 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.
- 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
Tổng hợp NH3 :
Nguyên liệu tổng hợp NH3 :
- Nguyên liệu không chứa hợp chất lưu huỳnh, asen, phospho, clo, hàm
lượng hợp chất chứa oxi thấp ( O2, CO2 < 1ppm, CO, H2O, CO, CO2 <
2ppm).
- Có nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau sử dụng cho quá trình tổng hợp NH 3
như: than đá, dầu nặng naphta, khí tự nhiên, khí đồng hành.
- Nguyên liệu quan trọng nhất hiện nay là các nhiên liệu rắn, khí lò cốc, H 2
của quá trình điện phân. Các nguyên liệu này chỉ được dùng trong điều kiện
đặc biệt và ngày nay có rất ít.
- Khí than ướt là nguyên liệu tương lai để sản xuất NH 3. Ngoài ra H2 sản xuất
bằng quá trình điện phân nước cũng là nguyên liệu sản xuất NH3.
- Các nhà máy sản xuất NH 3 mới hầu như dựa vào nguồn nguyên liệu chính
là khí tự nhiên và naphta.
Cơ sở hóa lý của quá trình tổng hợp NH3:
Phản ứng tổng hợp NH3 trong công nghiệp là một phản ứng thuộc loại phản

ứng khí rắn. Hệ không đồng nhất, tiến hành trên xúc tác với thành phần cơ bản
là sắt từ và một số phụ gia như Al2O3, K2O, CaO, ...
Nguyên tắc tổng hợp NH3 :
N2+3H2
2NH3
kJ/mol N2
Là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích và cần xúc tác.
Do vậy các điều kiện của phản ứng như nhiệt đô,áp suất, nồng độ sẽ có ảnh
hưởng đến chuyển dịch cân bằng.
- Nhiệt độ: thường duy trì nhiệt độ của phản ứng này là 450-500oC do đó khi
tăng dần nhiệt độ, tốc độ phản ứng ở giai đoạn đầu tăng dần, hệ nhanh đạt
đến trạng thái cân bằng.
+ Nếu tăng nhiệt độ quá nhiều, hiệu suất chuyển N2 => NH3 giảm do ở
nhiệt độ cao NH3 bị phân hủy trở lại H2 và N2. Cân bằng chuyển dịch về
phía trái.
+ Ở nhiệt độ áp suất dưới 400oC tốc độ phản ứng nhỏ, nên không có lợi
cho sản xuất
- Áp suất: Trong sản xuất, thực hiện phản ứng này ở áp suất thấp 100-150at,
hoặc trung bình 250-600at hoặc áp suất cao 600-1000at. Phản ứng theo
-

III.
1.

2.

3.

Page 6

Đồ án môn học công nghệ hóa dầu

-

-

chiều thuận là quá trình làm giảm P của hệ, nên tăng P phản ứng sẽ
chuyển dịch cân bằng về phía tạo thành NH3, hiệu suất chuyển hóa cũng
cao hơn.
Sau khi tạo thành NH3 cần được tách ra để cân bằng luôn chuyển dịch
theo chiều thuận. Vì hiệu suất chuyển hóa N2 thành NH3 thấp, H2 và N2 chưa
tham gia phản ứng phải quay trở lại tháp tổng hợp nhiều lần nên tỉ lệ giữa
H2 và N2 được giữ đúng tỉ lệ 3:1.
Chất xúc tác : Phản ứng này nếu không có xúc tác thích hợp thì dù ở nhiệt
độ cao và áp suất cao phản ứng cũng hầu như không xảy ra.
Hiện sử dụng xúc tác gốc Fe 3O4 thường có các phụ gia oxit của các
nguyên tố Al, K, Ca, Mg, ... và một số tạp chất theo vào trong quá trình chế
tạo như Si, Ti, S, P, Cl, ... khi tăng hàm lượng Al 2O3 độ bền nhiệt và độ bền
cơ của xúc tác tăng. Tuy nhiên, lượng Al 2O3 nhiều gây khó khăn cho quá
trình tái sinh xúc tác và cản trở sự nhả hấp thụ NH 3 trên bề mặt xúc tác.
Ngoài Al2O3, còn có một số oxit khác cũng có tác dụng ổn định cấu trúc của
xúc tác, mức độ ổn định cấu trúc của chúng được sắp xếp theo thứ tự sau:
Al2O3 > TiO2> Cr2O3>MgO > MnO = CaO > SiO2 > BeO
Các oxit kim loại kiềm có tác dụng làm tăng cường trao đổi điện tử hoạt
hoá quá trình trung gian, do đó tăng hoạt tính xúc tác làm việc ở áp suất
cao, đồng thời tạo điều kiện nhả hấp phụ NH 3 tốt hơn và tăng khả năng chịu
ngộ độc với H2S
Ngoài ra, các oxit đất hiếm như Sm 2O3 , HoO3 , Fr2O3 cũng góp phần
tăng hoạt tính xúc tác. Trong quá trình hoạt hoá các oxit này bị khử thành

kim loại và tạo hợp kim với sắt.
Cộng với những phát minh trong chế tạo, hoạt tính xúc tác tăng rõ rệt,
nhiệt độ và áp suất làm việc đều giảm, tạo điều kiện làm biến đổi công nghệ
như hạ áp suất tổng hợp xuống phổ biến ở mức 10 ÷ 15 MPa nhiệt độ làm
việc có thể giảm xuống 3600C, thậm chí 3500C, mang lại những giá trị kinh
tế cao.
Thành phần khí nguyên liệu : Quá trình tổng hợp NH3 dòng khí đưa vào
tháp bao gồm hai phần: khí nguyên liệu từ công đoạn chế tạo khí nguyên
liệu sang với tỷ lệ H2/N2 khoảng 3/1 ; 0,5% khí trơ (CH4 , Ar) và khí sản
phẩm của quá trình tổng hợp sau khi đã tách phần lớn NH 3 . Gọi chung là
khí tuần hoàn. ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng chủ yếu có hai loại khí: một
là hỗn hợp H2 và N2 và một là khí trơ .
Với H2 và N2 đương nhiên nồng độ càng cao càng có lợi cho phản ứng
kể cả tăng tốc độ phản ứng và chuyển dịch cân bằng .
Với khí trơ, do dòng khí đi tuần hoàn nên nồng độ khí trơ tăng dần
trong dòng tuần hoàn. Hàm lượng khí trơ tăng, tương tự giảm áp suất riêng
Page 7


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
phần cấu tử khác, do vậy tốc độ phản ứng, cân bằng phản ứng bị giảm
tương ứng với mức giảm do áp suất tổng hợp hạ thấp gây nên .
Hiện nay thường giữ hàm lượng khí trơ trong khí tuần hoàn khoảng
8÷12% (tổng CH4 và Ar). Như vậy, dòng khí nguyên liệu có thành phần:
8÷12% khí trơ, 3% NH3 còn lại là hỗn hợp H2/N2 với tỷ lệ 3/1
4. Cơ chế của quá trình tổng hợp:
Cơ chế của phản ứng tổng hợp NH3 trên xúc tác sắt xảy ra như sau:
N2 + 2Fe
2N - Fe
H2 + 2Fe

2H - Fe
H-Fe + N-Fe
NH - Fe + Fe
NH-Fe + H-Fe
NH2-Fe + Fe
NH2-Fe + H-Fe
NH3 + Fe

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)

Thông thường thì một phản ứng tỏa nhiệt sẽ tự xảy ra trong những điều
kiện tiến hành phản ứng. Tuy nhiên, để tạo NH 3 từ N2 và H2 thì năng lượng
cung cấp vào phải lớn. Năng lượng này dùng để hoạt hóa N 2 vì năng lượng
phân li N2 rất cao (941KJ/mol) cao hơn H2 rất nhiều.
Theo đánh giá ban đầu, quá trình tổng hợp NH 3 trong pha khí cần năng
lượng hoạt hóa khoảng 230 - 420 KJ/ mol. Việc cấp năng lượng nhiệt và tạo
ra các giả định thích hợp có liên quan đến sự ảnh hưởng của hiệu suất va chạm
giữa các phân tử. Để vượt qua ngưỡng hoạt hóa này yêu cầu nhiệt độ phải lớn
hơn 800 - 1200 oK để đạt được tốc độ phản ứng cần thiết.
Ở nhiệt độ cao và áp suất thích hợp thì hiệu suất NH3 là cao nhất .
Về mặt xúc tác để kết hợp N 2 và H2 thì các phân tử giảm mức độ chuyển
đổi bởi sự ổn định của bề mặt xúc tác. Phản ứng tổng hợp có thể tiến hành
trong khoảng nhiệt độ 250 - 400oC.

Chương 2 :
I.

Công nghệ sản xuất NH3

Giới thiệu về các công nghệ chính để sản xuất NH3:
- Có 2 công nghệ chính để sản xuất ammoniac đó là :
+ Refoming hơi nước
+ Oxy hóa không hoàn toàn ( oxy hóa một phần )
- Các giai đoạn để sản xuất NH3 của 2 công nghệ trên :
+ Sản xuất khí tổng hợp
+ Chuyển hóa CO và tinh chế ( loại bỏ CO2, H2S ) : Quá trình tổng hợp
NH3 chỉ sử dụng N2 và H2 nên yêu cầu phải chuyển hóa CO và các chất gây
ô nhiễm khác.
+ Tổng hợp NH3
Page 8


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Sự hóa khí của các hydrocacbon hay than đá có thể xem như quá trình oxy
hóa một phần ở nhiệt độ cao. Sản phẩm chính của quá trình này là CO và
H2 . Nếu quá trình có sử dụng xúc tác và tận dụng hơi nước làm môi chất thì
gọi là reforming hơi nước. Còn nếu chất phản ứng là oxy hay không khí mà
không sử dụng xúc tác thì gọi là quá trình oxy hóa một phần.
- Áp suất khí hóa của các công nghệ khá cao ( áp suất giới hạn khoảng
4Mpa). Lựa chọn sử dụng công nghệ nào là phụ thuộc vào nguồn nguyên
liệu thô. Nếu nguyên liệu để sản xuất NH3 là khí tự nhiên hay naphta thì sử
dụng công nghệ reforming hơi nước. Nếu nguồn nguyên liệu dùng để sản
xuất NH3 là rắn ( than đá ) thì sử dụng công nghệ oxy hóa không hoàn toàn.
Công nghệ reforming hơi nước :
1. Qui trình công nghệ:
- Sản xuất khí tổng hợp :

+ Reforming sơ cấp ( xử lý bằng dòng hơi nước )
+ Reforming thứ cấp ( chuyển hóa metan bằng dòng không khí ).
Chuyển hóa CO và tinh chế:
+ Chuyển hóa CO
+ Loại CO2
+ Loại CO triệt để ( metan hóa )
- Tổng hợp NH3.
2. Sơ đồ công nghệ :
-

II.

Page 9


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
CO2
Absorption

CO2

Shift conversion
reactor

Hp steam

Air

Condensate
Hydrocarbons

Fuel
oil First
reactor

Carbonate
regeneration

Second
reactor

CO2 absorption
Separator

MEA
regeneration

CO2

Amonia
synthesis
reactor

Methanation
reactor

Separator
NH3

Condensate
3. Thuyết minh sơ đồ:

a. Cụm sản xuất khí tổng hợp:

Khí hay các hydrocacbon nặng hóa hơi được có thể chuyển thành H 2
và CO theo phản ứng tổng quát sau
CnH2n+2 + n H2O
nCO + (2n+1) H2
Với CH4 :
CH4 + H2O
CO + 3H2
kJ/mol
Đây là phản ứng thu nhiệt . Ở nhiệt độ cao, tỉ lệ giữa hơi nước và
hydrocacbon cao. Ở nhiệt độ thấp, sự tạo thành H2 và CO là có lợi.
Đồng thời với phản ứng reforming có chuyển hóa cân bằng khí than
ướt
CO + H2O
CO + H2
- 41kJ/mol

Page 10


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Như vậy trong thành phần sản phẩm sau quá trình reforming luôn có
mặt H2, CO, CO2, H2O và CH4.
Nhiệt cung cấp cho phản ứng lấy từ quá trình cấp nhiệt trực tiếp của
thiết bị phản ứng hình ống, bên trong chứa xúc tác Ni và để hỗn hợp khí
đi qua. Xúc tác dễ ngộ độc nên trước khi đi vào thiết bị, dòng khí
nguyên liệu phải được tách loại S. Sau khi đi qua thiết bị tách S, hỗn
hợp khí được trộn lẫn với dòng hơi nước với tỉ lệ hơi/hydrocacbon =
2,5/4,5 mol, hỗn hợp được gia nhiệt sơ bộ rồi được chuyển qua thiết bị

reforming sơ cấp. Trong thiết bị này có chứa các ống reforming được
xếp thẳng đứng trong lò phản ứng. Trong lò có chứa khoảng 200-400
ống dài 10-12m, đường kính trong 75-140mm, dày 11-18mm. Lò phản
ứng được xếp như vậy để nhiệt từ các đèn khí cấp vào các ống dễ hơn.
Vật liệu làm ống chịu được áp suất từ 4Mpa trở lên và nhiệt độ thành
ống phải trên 950oC. Tỉ lệ hơi nước/HC phải đủ lớn để tránh HC phân
hủy trong các ống xúc tác của thiết bị chính.
Khi nguyên liệu là naphta-hơi nước thì hỗn hợp này được chuyển
hóa ở nhiệt độ thấp ( 450 – 500oC ) và tỉ lệ hơi nước / HC giống như ở
pha khí giàu CH4. Khí này được chuyển hóa trong thiết bị reforming sơ
cấp dưới các điều kiện reforming thường.
Tùy thuộc vào áp suất,nhiệt độ và tỉ lệ hỗn hợp nguyên liệu mà phần
cặn khí mêtan chứa trong hỗn hợp khí đã reforming sơ cấp chiếm
khoảng 7 – 10%.
Hỗn hợp khí đi ra từ thiết bị reforming sơ cấp ở nhiệt độ 830-850oC,
lượng CH4 hao hụt khoảng 7,5%, hỗn hợp này được trộn lẫn với dòng
không khí đã gia nhiệt sơ bộ tạo một hỗn hợp phù hợp với hệ số tỉ lượng
của N2 và chuyển qua lớp xúc tác Ni nằm trong ống phản ứng chịu lửa
của thiết bị reforming sơ cấp( khí oxy cùng với không khí đốt cháy một
phần hỗn hợp và làm tăng nhiệt độ trong lò phản ứng lên 1200oC ) , rồi
được chuyển đến thiết bị reforming thứ 2 ( reforming thứ cấp ). Quá
trình này bổ sung cho quá trình reforming sơ cấp bằng sự khử mêtan
chưa chuyển hóa đến mức có thể và cung cấp N2 và khí tổng hợp để
tổng hợp NH3.
Tại thiết bị reforming thứ cấp, quá trình chuyển hóa CH 4 được tiến
hành dưới điều kiện đoạn nhiệt, thích hợp với nhiệt độ cao trong lớp xúc
tác , để lượng CH4 hao hụt chỉ 0,2-0,3%. Trong phương pháp này nhiệt
độ giảm khoảng 1000oC. Thiết bị reforming thứ cấp và thiệt bị phản ứng
chịu lửa phải làm từ hợp chất tự do của silic.

Page 11


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Khí N2 có mặt trong khí tự nhiêm làm giảm tỷ lệ không khí trong
thiết bị reforming thứ cấp và giảm sự tăng nhiệt độ trong thiết bị này. Vì
thế, để duy trì một lượng hụt CH4 thì nhiệt thải từ thiết bị reforming
chính phải tăng. Mặt khác, có các quá trình cấp một lượng lớn không
khí theo hệ số tỉ lệ của N2. Quá trình chuyển hóa khí CH4 là chuyển từ
thiết bị sơ cấp sang thứ cấp. Khí N2 theo tỉ lệ yêu cầu ở trên phải được
tách từ hệ thống. Điều này có thể xảy ra hoặc là trước khi vào thiết bị
tổng hợp vòng hay trong quá trình tăng khí thải từ thiết bị vòng tổng
hợp.
Thiết bị reforming thứ cấp cũng có thể được cấp tổng nhiệt cho quá
trình reforming trực tiếp trong suốt quá trình cháy của một phần lớn
nguyên liệu khí tự nhiên. Để thực hiện điều này, một lượng không khí
hay oxy được đưa vào hỗn hợp khí – hơi nước
b. Cụm chuyển hóa CO và tinh chế :
Bằng phản ứng chuyển hóa khí than ướt :
CO + H2O
CO2 + H2
mà CO chuyển hóa thành CO2 và CO2 được tách ra dễ dàng. Phản ứng
này cũng tạo H2 trong sản phẩm. Hằng số cân bằng của phản ứng phụ
thuộc nhiều vào nhiệt độ. Phản ứng thuận tiên khi nhiệt độ giảm.
Hỗn hợp khí đi ra khỏi thiết bị reforming thứ cấp có chứa H2, CO,
CO2, H2O và một lượng rất nhỏ CH4 được cho vào thiết bị chuyển hóa
CO thành CO2. Do quá trình reforming hơi nước yêu cầu tách triệt để S
trong nguyên liệu nên áp dụng công nghệ chuyển hóa nhiệt độ thấp và
nhạy cảm với tính độc của S. Sau khi thực hiên xong quá trình chuyển
hóa, hỗn hợp khí được đưa vào thiết bị hấp thụ CO2. Do khí tổng hợp

thô không còn lưu huỳnh và CO2 thì có áp suất riêng phần khoảng 0,40,7MPa nên lúc này sử dụng các dung môi hóa học để hấp thụ CO2 là
thích hợp nhất và các dung môi thường dùng là K2CO3 hay alkanolamin.
Các dung dịch hòa tan của K2CO3 chứa các chất hóa học tăng tốc độ
chuyển hóa CO2 và vì thế giảm được kích thước của cột hấp thụ.
Còn các alkanolamin thì khác nhau về tốc độ chuyển hóa CO2. Các
amin bậc 1 và bậc 2 như MEA, DEA cho tốc độ chuyển hóa CO2 cao
nhưng tốn nhiều năng lượng để tái sinh dung môi, vì thế các amin bậc 3
được sử dụng nhiều hơn mặc dù tốc độ chuyển hóa CO2 kém hơn
Hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị hấp thụ CO2 gồm các hợp chất có chứa
oxy như 0,01-0,1%V CO2, 0,2-0,3%V CO, O2 và nước sẽ gây ngộ độc
xúc tác, vì vậy phải tách triệt để chúng, đồng thời quá trình tách triệt để
này sẽ làm tăng hiệu suất cho quá trình.
Page 12


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Quá trình tách triệt để được thực hiện trong thiết bị metan hóa. Tại
thiết bị này xảy ra phản ứng của hỗn hợp khí với H2 tạo hơi nước và
CH4. Các phản ứng metan hóa như sau:
CO + 3H2
CH4 + H2O ∆H = - 206 kJ/mol
CO2 + 4H2
CH4 + H2O
∆H = - 165 kJ/mol
Đây là phản ứng tỏa nhiệt. Ở nhiệt độ làm việc bình thường từ 250350oC cân bằng chuyển về phía phải, hàm lượng CO, CO2 giảm xuống
còn ít hơn 10ppm.
Ưu điểm của quá trình metan hóa là đơn giản,giá thành thấp nhưng
nhược điểm của nó là tiêu tốn nhiều H2 và có thêm khí trơ trong sự tạo
thành khí để tổng hợp.
Ở áp suất làm việc bình thường ( 3MPa ), thường dùng xúc tác Ni có

nền với thể tích bé. Nếu không có quá trình chuyển hóa nhiệt độ thấp
CO hay quá trình hấp thụ CO2 thì quá trình metan hóa tỏa nhiệt mạnh,
có thể đạt nhiệt độ cao hơn 500oC rất nhanh. Vậy nên cần phải lắp các
thiết bị kiểm tra và các thiết bị đo lường để tránh quá nhiệt và ở nhiệt độ
cao như vậy xúc tác có thể bị hỏng hay áp suất bình vượt quá mức cho
phép.
c. Cụm thiết bị tổng hợp NH3:
Sau khi ra khỏi thiết bị metan hóa, hỗn hợp khí được làm lạnh rồi
đưa đến cụm thiết bị tổng hợp NH3. Hỗn hợp khí được đưa đi qua thiết
bị phân tách rồi đưa đến thiết bị tổng hợp NH3. Tháp tổng hợp NH3 là
thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống tổng hợp amoniac
1
2
3
4
5
6
7

A

C

Vỏ chịu áp suất
Thiết bị trao đổi nhiệt
Lớp xúc tác thứ nhất
Ghi đỡ
Rổ cách ly
Lớp xúc tác thứ hai
Ống dẫn khí làm lạnh

Khí tổng hợp vào
Khí làm lạnh vào
Khí đã phản ứng

A

B
Hình IV.3. Tháp tổng hợpPage
amoniac
13 Topsoe S – 200


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu

III.

Tháp có hai bộ phận chính : Ở trên là hộp xúc tác với các ống truyền
nhiệt và phần dưới là thiết bị truyền nhiệt. Để tận dụng nhiệt của phản ứng
tổng hợp, để tăng nhiệt độ cho khí tổng hợp, nên quá trình khí đi trong tháp
tương đối phức tạp. Hỗn hợp khí đi vào phía trên tháp (1) và hộp xúc tác
(2) vòng qua thiết bị truyền nhiệt (3) vào giữa các ống của thiết bị này từ
dưới lên trên. Ra khỏi thiết bị truyền nhiệt, nhiệt độ khí tăng lên 350-370 oC.
Sau đó đi theo ống trung tâm (4) lên phía trên của lớp xúc tác và đi vào các
ống kép (5) đặt trong lớp xúc tác. Đầu tiên khí đi theo ống trong theo chiều
từ trên xuống dưới, sau đó đi vòng lên theo không gian giữa hai ống. Trong
quá trình đó, trong ống khí ống kép khí nhận nhiệt phản ứng, làm tăng
nhiệt độ lên 450-470oC và đi vào phía trên của hợp xúc tác. Khí đi qua bộ
phận xúc tác theo chiều từ trên xuống rồi qua các ống của thiết bị truyền
nhiệt, truyền nhiệt cho khí chưa chuyển hóa, hạ nhiệt độ rồi ra khỏi tháp.
Để giữ nhiệt độ xúc tác ổn định khoảng 500oC, ngăn ngừa hiện tượng

quá nhiệt trong trường hợp cần thiết, người ta cho khí đi vào phía dưới của
thiết bị tổng hợp theo ống trung tâm (6) lên thẳng hợp xúc tác.
Tùy vào điều kiện chuyển hóa và độ sạch của khí tổng hợp mà hiệu
suất chuyển hóa khác nhau, nhưng thường khí ra khỏi tháp có thành phần
như sau: 52%H2, 17,5-19%N2, 12-18%NH3, 6,6% CH4, 5,5%Ar. Khí đã
chuyển hóa đi vào thiết bị ngưng tụ được làm sạch bằng nước, hạ nhiệt độ
từ 120-200oC xuống còn 25-35oC. Phần lớn ammoniac bị hóa lỏng tại đây.
Sau đó toàn bộ khí đi vào tháp phân li để tách NH3 bị hóa lỏng.NH3 đã hóa
lỏng được đưa đến thiết bị lắng để thu hồi NH3. Trong trường hợp khí trơ
như CH4, Ar vượt quá nồng độ cũng được thải ra từ thiết bị này, làm cho
áp suất giảm đi. Vì vậy, khí được đưa qua bơm tuần hoàn để nâng áp suất
lên 300-320atm. Ở bơm ra khí được đưa qua thiết bị lọc để tách dầu của
bơm. Tại đây khí tổng hợp mới được bổ sung một lượng bằng lượng khí đã
chuyển hóa thành amoniac đã thải ra theo khí trơ và đã bị rò rỉ. Từ thiết bị
lọc ra khí đi vào thiết bị ngưng tụ gồm hai bộ phận truyền nhiệt và phân li
để ngưng tụ ammoniac có trong khí và tách ammoniac lỏng. Ra khỏi thiết
bị này khí được đưa vào tháp tổng hợp NH3 tạo thành một quá trình tuần
hoàn khép kín.
Công nghệ oxy hóa không hoàn toàn:
1. Qui trình công nghệ:
- Sản xuất khí tổng hợp :
+ Chưng không khí thu oxy và nito
+ Oxy hóa không hoàn toàn nguyên liệu hydrocacbon
Page 14


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Tinh chế khí :
+ Loại bỏ cặn cacbon, thu hồi nhiệt
+ Loại H2S để sản xuất S

+ Chuyển hóa CO thành CO2
+ Loại CO2
- Tổng hợp amoniac
2. Sơ đồ công nghệ:
-

3. Thuyết minh sơ đồ:
a. Cụm sản xuất khí tổng hợp:

Hydrocacbon hay than đá có thế phản ứng với oxy không cần xúc
tác và phản ứng oxy hóa một phần xảy ra như sau:
CmHn + O2
n CO + H2
C + O2
CO
∆H = -123kJ/mol
Khi thêm hơi nước vào, hydrocacbon hay than đá phản ứng với hơi
nước tạo thành H2 và CO
CnHm + n O2
nCO + (n+m/2)H2
C + H 2O
CO + H2
∆H = 129kJ/mol
Đây là quá trình tự cấp nhiệt, có nghĩa là không cần cấp năng lượng
từ bên ngoài. Nhiệt độ quá trình khoảng 1100 – 1500oC
Trước khi oxy hóa không hoàn toàn nguyên liệu hydrocacbon ta tiến
hành chưng cất không khí để thu oxy và N2 làm nguyên liệu cho quá
công nghệ.
Dòng nguyên liệu cùng với dòng oxy thu được từ quá trình chưng
cất trên được đưa vào thiết bị phản ứng dạng ống chịu lửa và chịu áp

Page 15


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
suất trong. Nhiệt độ phản ứng trong ống khoảng 1200-1500oC, kết quả
trong dòng khí khô có chứa muội than, vì vậy ta phải thực hiện quá trình
tách muội C.
Dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng có chứa CO, H2, muội C,
hydrocacbon và các hợp chất của S ( nếu dòng nguyên liệu đầu vào có
chứa S ) được hòa trộn với dòng nước sau đó được đưa vào thiết bị
ngưng tụ. Dòng nước có chứa muội C ra ở đáy thiết bị ngưng tụ và được
đưa đến thiết bị tách C, tại thiết bị tách C, C được tách ra, dòng nước
sạch được đưa quay tuần hoàn trở lại thiết bị ngưng tụ.
b. Chuyển hóa CO và tinh chế :
Quá trình oxy hóa một phần có thể sử dụng xúc tác hoặc không sử
dụng xúc tác để chuyển hóa , nếu sử dụng xúc tác chuyển hóa thì H2S
và CO2 phải được tách trước quá trình chuyển hóa trong thiết bị rửa, (
trường hợp này xúc tác Fe-Cr có thể được sử dụng). Dòng sản phẩm
sau khi đã được tách C có chứa H2 ,CO, hydrocacbon, các hợp chất của
S được đưa vào cụm thiết bị tách H2S và chuyển hóa S. Trước tiên, hỗn
hợp khí được đưa vào thiết bị chuyển hóa ở nhiệt độ cao, sau quá trình
chuyển hóa nhiệt độ cao, S đã chuyển hóa hoàn toàn thành H2S, sau đó
dòng khí này được đưa vào hệ thống tháp hấp thụ và giải hấp H2S,đây là
một hệ thống tuần hoàn nhằm loại bỏ H2S được triệt để nhất, sau quá
trình này, hỗn hợp khí thu được có chứa CO, H2. Hỗn hợp khí CO và H2
được đưa tới cụm thiết bị chuyển hóa CO thành CO2 để loại bỏ được dễ
dàng. Tương tự như ở trường hợp reforming hơi nước khí tổng hợp thô
tiếp xúc với dung môi chảy ngược trong cột hấp thụ. Dung môi hấp thụ
các thành phần khí axit, CO2, H2S và CS2, tách chúng từ khí, sau đó khí
rời khỏi cột hấp thụ được tái sinh bằng cách giảm áp suất, tăng nhiệt độ

và nhả hấp thụ ở cạnh sườn cột.
Khí sau khi đã được tinh chế được đưa vào thiết bị rửa khí bằng N2
thu được nhờ quá trình chưng cất không khí, tại đây dòng H2 và N2 được
trộn với nhau theo tỉ lệ phản ứng nhất đinh rồi được đưa vào cụm thiết
bị tổng hợp NH3.
c. Cụm thiết bị tổng hợp NH3:
Giống như ở công nghệ sản xuất NH3 bằng phương pháp reforming
hơi nước, cụm thiết bị phản ứng tổng hợp ở công nghệ sản xuất NH3
bằng phương pháp oxy hóa không hoàn toàn cũng là một quá trình tuần
hoàn khép kín. Dòng H2 và N2 cũng được đi vào từ đỉnh của thiết bị
tổng hợp và dòng NH3 thu được một phần được tuần hoàn lại thiết bị
phản ứng, một phần được đưa ra ngoài dưới dạng lỏng.
Page 16


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
IV.

Đánh giá, nhận định các sơ đồ công nghệ:
1. Giống nhau:
- Ở giai đoạn sản xuất khí tổng hợp : Cả hai công nghệ đều tự tận dụng nhiệt
mà không cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài. Nhiệt độ phản ứng ở các
thiết bị cao,vì vậy yêu cầu lớn về vật liệu chế tạo thiết bị
- Cả hai công nghệ đều phải tách loại các tạp chất có khả năng gây ngộ độc
xúc tác trong hỗn hợp khí nguyên liệu trước khi đưa vào thiết bị tổng hợp
NH3.
- Quá trình tổng hợp NH3 : Do phản ứng tổng hợp có < 0 => phản ứng giảm
thể tích và tỏa nhiệt mạnh => thuận lợi ở áp suất cao và nhiệt độ thấp=>
yêu cầu xúc tác có hoạt tính cao để có thể tiến hành ở nhiệt độ thấp
2. Khác nhau:

Công nghệ reforming hơi nước
+ Nguyên liệu thô: Yêu cầu cao như không
được chứa các chất gây ngộ độc xúc tác của
thiết bị reforming. Nguồn nguyên liệu là
khí tự nhiên hay naphta

Công nghệ oxy hóa không hoàn toàn
+ Nguyên liệu thô: Không đòi hỏi chất
lượng nguồn nguyên liệu thô, tận dụng
được nguồn N2 có sẵn trong tự nhiên.
Nguyên liệu thô là chất rắn

+ Cụm thiết bị sản xuất khí tổng hợp phức
tạp, yêu cầu cao về các thông số kĩ thuật
như nhiệt độ,áp suất làm việc,xúc tác

+ Cụm thiết bị sản xuất khí tổng hợp đơn
giản, có thể có hoặc không sử dụng xúc
tác

+ Cụm thiết bị tách và làm sạch dòng khí
trước khi vào thiết bị tổng hợp NH3 : Đơn
giản hơn so với công nghệ oxy hóa không
hoàn toàn
+ Quá trình metan hóa để loại CO triệt để
đơn giản và hiệu quả
+ Năng suất cao hơn

+ Cụm thiết bị tách và làm sạch dòng khí
trước khi vào thiết bị tổng hợp NH3 phức

tạp ( nếu dòng nguyên liệu thô có chứa S )
+ Các dung môi sử dụng đế tách loại triệt
để CO đắt tiền

Chương 3 :
I.

II.

Lựa chọn và tính toán công nghệ

Lựa chọn công nghệ :
Hiện nay, công nghệ sản xuất NH3 bằng phương pháp reforming hơi nước
đang được sử dụng nhiều hơn cả bởi những ưu điểm vượt trội của nó so với
phương pháp oxy hóa không hoàn toàn như đơn giản, triệt để, năng suất cao
hơn…
Vì vậy, đồ án này nhóm em lựa chọn công nghệ công nghệ sản xuất NH3
bằng phương pháp reforming hơi nước.
Tính toán công nghệ:
Page 17


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
1. Các số liệu ban đầu:
- Công suất 1350 tấn/ngày
- Trong khí tự nhiên có:

m3/h

Thành phần

C1
C2
C3
iC4
nC4
iC5
nC5
C6
CO2
N2

77.66
7.38
3.53
0.82
0.78
0.23
0.14
0.15
8
1.42

- Độ chuyển hóa 1 lần : 30% NH3
- Nhiệt độ vận hành: 390oC
- Nhiệt độ đầu ra: 500oC
- Tỉ lệ H2/N2 = 3
2. Cân bằng vật chất:
Hỗn hợp hơi khí đi ra từ thiết bị mêtan hóa được làm lạnh đến nhiệt độ khoảng 30 0C
để ngưng tụ hết nước trứoc khi đưa vào thiết bị tổng hợp NH 3. Vì hiệu suất quá trình rất

thấp chỉ khoảng 30% nên hỗn hợp khí đi ra từ tháp tổng hợp phải cho tuần hoàn trở lại về
tháp để nâng cao hiệu suất.
Dòng vào là hỗn hợp N2 và H2:
H2 : a kg/h.
N2 : b kg/h. Với a/2 = 3(b/28)
Phản ứng:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
28

3.2

2.17

 Lượng N2 phản ứng:

0,3.b kg/h.
Page 18

30%


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
- Lượng N2 còn lại đi ra cho tuần hoàn:
0,7.b kg/h.
 Lượng H2 phản ứng:

= 0,0643.b kg/h.
- Lượng H2 còn lại :
a-0,0643.b kg/h.
 Lượng NH3 tạo thành:

= 0,3643.b kg/h.
a. Lần tuần hoàn thứ nhất:
- Hỗn hợp khí vào tháp tổng hợp bây giờ là khí tuần hoàn:

Phản ứng:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
28

3.2

30%

2.17

 Lượng N2 phản ứng:

0,7.b.0,3 = 0,221.b kg/h.
- Lượng N2 còn lại đi ra cho tuần hoàn:
0,7.b-0,21b = 0,49.b kg/h.
 Lượng H2 phản ứng:

= 0,045.b kg/h.
- Lượng H2 còn lại :
a-0,1093.b kg/h.
 Lượng NH3 tạo thành:

= 0,255.b kg/h.
Hiệu suất quá trình sau lần tuần hoàn thứ nhất:
.100 = 51%.

Page 19


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
b. Lần tuần hoàn thứ 2:
- Hỗn hợp khí vào tháp tổng hợp bây giờ là khí tuần hoàn:

Phản ứng:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
28

3.2

30%

2.17

 Lượng N2 phản ứng:

0,49.b.0,3 = 0,147.b kg/h.
- Lượng N2 còn lại đi ra cho tuần hoàn:
0,49.b-0,147.b = 0,343.b kg/h.
 Lượng H2 phản ứng:

= 0,0315.b kg/h.
- Lượng H2 còn lại :
a-0,1093.b-0,0315.b = a-0,1408 kg/h.
 Lượng NH3 tạo thành:

= 0,1785.b kg/h.

Hiệu suất quá trình sau lần tuần hoàn thứ hai:
.100 = 65,7 %.
Tính toán tương tự ta có:
c. Lần tuần hoàn thứ 3:
- Lượng NH3 tạo thành: 0,1249.b kg/h.
- Hiệu suất quá trình đạt: 75,99 %.
d. Lần tuần hoàn thứ 4:
- Lượng NH3 tạo thành: 0,0874.b kg/h.
- Hiệu suất quá trình đạt: 83,19 %.
Page 20


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
e. Lần tuần hoàn thứ 5:
- Lượng NH3 tạo thành: 0,0612.b kg/h.
- Hiệu suất quá trình đạt: 88,23 %.
g. Lần tuần hoàn thứ 6:
- Lượng NH3 tạo thành: 0,0428.b kg/h.
- Hiệu suất quá trình đạt: 91,76 %.
h. Lần tuần hoàn thứ 7:
- Lượng NH3 tạo thành: 0,0299.b kg/h.
- Hiệu suất quá trình đạt: 94,23 %.
i. Lần tuần hoàn thứ 8:
- Lượng NH3 tạo thành: 0,021.b kg/h.
- Hiệu suất quá trình đạt: 95,96 %.
k. Lần tuần hoàn thứ 9:
- Lượng NH3 tạo thành: 0,0147.b kg/h.
- Hiệu suất quá trình đạt: 97,17 %.
l. Lần tuần hoàn thứ 10:
- Lượng NH3 tạo thành: 0,0103.b kg/h.

- Hiệu suất quá trình đạt: 98,02 %.
- Lượng N2 còn lại đi ra cho tuần hoàn: 0,0198.b kg/h.
- Lượng H2 còn lại : a-0,2099.b kg/h
Vậy sau 10 lần tuần hoàn thì hiệu suất quá trình đạt 98,02 %, với hiệu suất này thì
có thể đảm bảo cho quá trình làm việc ổn định và đảm bảo tính kinh tế cho phân xưởng
sản suất NH3.
Lượng NH3 tạo thành sau 10 lần tuần hoàn: 1,19.b kg/h
Page 21


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Mà công suất yêu cầu của thiết bị là 1350 tấn/ngày = 56250 kg/h
Khi đó ta có:
1,19.b = 56250
→ b = 47268,9075 kg/h
Vậy
Bảng 1. Cân bằng vật chất ở tháp tổng hợp NH3
Dòng vào
Tên nguyên liệu

Kg/h

%

H2

10129,0516

17,647

N2

47268,9705

82,353

Tổng cộng

57398,0221

100,000

Dòng ra
Tên sản phẩm

Kg/h

%

N2

935,9243

1,6307

H2

207,2947

0,3612

NH3

56250

99,0081

Tổng cộng

57393,219

100,000

3. Cân bằng nhiệt lượng:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Qvào + Qpu = Qra + Qm , (kJ/h)
trong đó:

Qvào: nhiệt lượng hỗn hợp khí vào tháp , kJ/h
Qpu: nhiệt lượng do phản ứng sinh ra, kJ/h
Qra: nhiệt lượng do sản phẩm mang ra, kJ/h
Page 22


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu
Qm: nhiệt mất mát ra môi trường xunh quanh, kJ/h
Qm = 10% (Qvào + Qpu), kJ/h
Nhiệt lượng hỗn hợp khí vào tháp
Qvào= ∑ Gi. Cpi. T

, kJ/h

Với T = 390 + 273 = 6630K
+ Lượng cấu tử vào tính theo kmol/h

Lượng H2:

Lượng N2:

10129,0516
= 5064,5258(kmol / h)
2

46918
= 1675,6429 (kmol / h)
28

+ Nhiệt dung riêng của các cấu tử:

C pH 2 = (6,9469 − 0,1999.10 −3.663 + 0,4808.10 −6.663 2 ).4,18
=29,3675(kJ/kmol độ)
C pN 2 = (6,66 + 1,02.10 −3.663).4,18

= 30,6656 (kJ/kmol độ)
Thay số vào tính toán ta được: Qvào = 132677608,4 (kJ/h)
Nhiệt lượng do phản ứng sinh ra
Phản ứng chính của quá trình: N2 + 3H2

2NH3

Ta có: ∆Hpu = ∆Hsp - ∆Htg
Các thông số nhiệt lượng cho các chất tham gia phản ứng
Tên chất
N2
H2
NH3

∆H298, kJ/h

C 298
p

0
0
46190

kJ/kmol.độ
29,1401
28,84705
35,6715
Page 23


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu

C pN 2
+ Với N2:

= 30,6656(kJ/kmol độ)

∆

C pN2
= 30,6656 – 29,1401 = 1,5255 (kJ/kmol độ)
N2
H 663

∆

= 0 + 1,5255(663 - 298) = 556,8075 (kJ/kmol)

∆

+ Với H2:

∆

C Hp 2
= 29,3675

C Hp 2
= 29,3675 – 28,84705 = 0,5205 (kJ/kmol độ)

H H2
∆

= 0 + 0,5205 (663 - 298) = 189,9825 (kJ/kmol)

C pNH 3 = (6,189 + 7,887.10 −3.663).4,18 = 47,7276

+ Với NH3:

(kJ/kmol độ)

∆

C pNH3
= 47,7276 – 35,6715 = 12,0561 (kJ/kmol độ)

∆

NH 3
H 663

=49190+ 12,0561 (663 - 298) = 53590,4765 (kJ/kmol)

Vậy ∆Hpu = 2.53590,4765 – 189,9825.3 – 556,8075 = 106054,198 (kJ/kmol)
 Qpu =

G NH3 .∆H pu

= 3308,8235. 106054,198 = 350914622,6 (kJ/h)

Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra:
Với T = 500 + 273 = 773 0K
+ Lượng sản phẩm ra tính theo kmol/h

Page 24

Qra= ∑Gi

C ip T


Đồ án môn học công nghệ hóa dầu

Lượng H2:

Lượng N2:

207,2947
= 103,6473(kmol / h)
2

933,668
= 33,3452 (kmol / h)
28

Lượng NH3:

56250
= 3308,8235 (kmol / h)
17

+ Nhiệt dung riêng của các cấu tử:
C pH 2 = (6,9469 − 0,1999.10 −3.773 + 0,4808.10 −6.773 2 ).4,18

=29,5930(kJ/kmolđộ)
C pN 2 = (6,66 + 1,02.10 −3.773).4,18 = 31,134

(kJ/kmol độ)
C pNH 3 = (6,189 + 7,887.10 −3.773 − 0,728.10 −6.773 2 ).4,18

=49,5357(kJ/kmol độ)
Thay số vào tính toán ta được: Qra = 440068930,2 (kJ/h)
Nhiệt mất mát ra môi trường
Qm = 0,1 (Qvào + Qpu) = 48359223,1 (kJ/h)

Cân bằng nhiệt lượng cho tháp tổng hợp amoniac
Lượng nhiệt vào

Lượng nhiệt ra

Nhiệt lượng

kJ/h

Nhiệt lượng

kJ/h

Qvào

132677608,4

Qra

440068930,2

Qpư

350914622,6

Qm

48359223,1

Tổng

483592231

Tổng

488428153,3

Page 25