Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3

ra và nồng độ NH3 tăng dần qua các lớp xúc tác. Chương VI. Lựa chọn công nghệ sản xuất VI.1. Lựa chọn công nghệ sản xuất. Qua các sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 đã giới thiệu ta thấy công nghệ của hãng Hardor Topsoe ( Đan mạch) là công nghệ có nhiều ưu điểm nhất nên ta chọn sơ đồ này để thiết kế phân xưởng sản xuất NH3. Như đã trình bày, sơ đồ này đi từ nguồn nguyên liệu chính là khí tự nhiên . Đây là nguồn nguyên liệu sẳn có ở nước ta. Vì nước ta có nhiều mỏ khí, mỏ dầu với trữ lượng đáng kể. Sơ đồ này có các ưu điểm nổi bật: - Sơ đồ tương đối đơn giản, dễ vận hành. - Có thể linh hoạt thay đổi năng suất theo các sản phẩm NH3 . Vì thế mà mỗi nhà máy sẽ được ưu tiên hoá đối với các điều kiện tổng quát bằng cách điều chỉnh các thông số công nghệ khác nhau. - Có thể dùng sơ đồ này để tổng hợp đồng thời NH3 và CH3OH hoặc tổng hợp riêng CH3OH. - Thiết bị phản ứng tương đối đơn giản, dễ lắp ráp , sửa chửa. Mặt khác sơ đồ này cũng đã được sử dụng để sản xuất NH3 trong nhà máy đạm Phú Mỹ. Tất cả các yếu tố này là rất cần thiết để xây dựng một nhà máy hoá chất, nó phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất còn nhỏ bé và trình độ kĩ thuật chưa phát triển cao ở nước ta. VI.2. Thuyết minh dây chuyền. Hỗn hợp khí nguyên liệu nén tới áp suất 40at và được gia nhiệt tới 3500C rồi đưa vào thiết bị tách S. Khí nguyên liệu đã loại bỏ lưu huỳnh trộn với hơi nước đã được xử lý rồi đưa vào thiết bị reforming sơ cấp với áp suất 40 at, nhiệt độ 5500C có dùng xúc tác Ni. Để chuyển hóa hoàn toàn cacbua hyđro, hỗn hợp khí sau phản ứng chuyển đến thiết bị reforming thứ cấp với áp suất 30 at và nhiệt độ 8500C cũng dùng xúc tác Ni. ở đây oxi cung cấp vào ở áp suất 33 at và nhiệt độ 6930C. Qua hai giai đoạn này tỉ lệ mol H2/N2 được khống chế tối ưu cho giai đoạn tổng hợp NH3 (tỉ lệ này bằng 3). Hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp có thành phân chủ yếu CO, CO2, hơi nước, H2, N2, khí trơ ở áp suất 30 at, nhiệt độ 10000C cho qua trao đổi nhiệt để giảm xuống nhiệt độ 3200C rồi đưa vào thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao. ở đây thực hiện ở 3200C và áp suất 30 at, sử dụng xúc tác Fe3O4. Hiệu suất quá trình chuyển hóa khoảng 80%. Hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao ở nhiệt độ 4200C, cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống 2000C rồi đưa vào thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp. ở thiết bị này thực hiện ở 2000C, áp suất 30-31 at, sử dụng xúc tác Fe3O4/CuO. Hiệu suất quá trình đạt khoảng 90%. Hỗn hợp khí sau quá trình chuyển hóa nhiệt độ thấp có thành phần chủ yếu CO2, một ít CO, hơi nước, H2, N2, khí trơ, hyđro cacbon ở nhiệt độ 2200C cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống nhiệt độ thường 250C để ngưng tụ hoàn toàn hơi nước trước trước khi đưa vào thiết bị tách CO2. Tại tháp hấp thụ CO2 sử dụng dung dịch hấp thụ là metyl dietanol amin (MDEA) làm việc ở nhiệt độ 720C, áp suất 28 at. Dung dịch ngậm CO2 được đưa đi xử lý tách khí CO2. Tiếp theo hỗn khí đưa qua thiết bị mêtan hóa để tách hết CO, CO2 làm độc xúc tác, nhiệt độ vào 2900C, áp suất 27at, sử dụng xúc tác Ni. Hỗn hợp khí sau thiết bị mêtan hoá bây giờ chủ yếu là H2, N2, hơi nước được làm giảm nhiệt độ để ngưng tụ hết hơi nước trước khi đưa vào tháp tổng hợp NH3, vì nước cũng là tác nhân gây độc cho xúc tác tổng hợp NH3. Hỗn hợp khí này cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống nhiệt độ khoảng 450C. Dòng khi này kết hợp với dòng khí tuần hoàn nén đến 134 at rồi làm lạnh xuống nhiệt độ 220C. Rồi lại đưa qua máy nén nén đến áp suất 150 at và nhiệt độ 4000C và đưa vào tháp tổng hợp. Tháp tổng hợp sử dụng xúc tác Fe. Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi tháp tổng hợp có nhiệt độ 5300C, trong đó nồng độ NH3 khoảng 17,3% thể tích, được làm lạnh bằng nước rồi đưa qua thiết bị phân ly. NH3 lỏng tách ra khỏi dòng khí đã phản ứng đưa về thiết bị tách NH3, phần khí tiếp tục cho qua thiết bị trao đổi nhiệt với khí tuần hoàn tận dụng nhiệt. Hỗn hợp khí sau đó làm lạnh xuống - 50C đưa vào tháp tách NH3, khí tuần hoàn ở đỉnh tháp tách NH3 nhằm tăng hiệu suất chuyển hóa. Định kì ta xả một lượng khí nhất định trong dòng khí tuần hoàn để giảm lượng khí trơ trong hỗn hợp khí nguyên liệu. NH3 lỏng ra khỏi tháp tách có nhiệt độ -330C được đưa về buồng chứa. Phần ii: tính toán công nghệ. Chương VII: CÂN BằNG VậT CHấT Và CÂN BằNG NHIệT LƯợNG. a. cÂN BằNG VậT CHấT: Các giai đoạn chính của quá trình tổng hợp NH3: 1. Chuyển hóa khí tự nhiên thành khí tổng hợp - Chuyển hóa trong thiết bị reforming sơ cấp. - Chuyển hóa trong thiết bị reforming sơ cấp thứ cấp. 2. Chuyển hóa CO từ khí tổng hợp và tinh chế khí. 3.Tổng hợp NH3. Để đơn giản cho quá trình tính toán ta chấp nhận các giả thiết sau: - Nguyên liệu khí tự nhiên chỉ gồm 3 cấu tử, với thành phần CH4 98%, C2H6 0,4%, N2 1,6%. - Không khí gồm 2 thành phần: N2 79%, O2 21%. - Tính toán cho 100 m3/h khí tự nhiên, sau đó hiệu chỉnh theo năng suất thiết kế. VII.1. Chuyển hóa khí tự nhiên thành khí tổng hợp: Các số liệu ban đầu: - Trong 100 m3/h khí tự nhiên có 98 m3/h CH4 0,4 m3/h C2H6 1,6 m3/h N2 - Tỉ lệ hơi nước: khí tự nhiên = 2,5. - Hàm lượng CH4 (% thể tích) ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp là 10%, ra khỏi thiết bị reforming thứ cấp là 0,5%. - Nhiệt độ hỗn hợp hơi khí vào thiết bị reforming sơ cấp là 500 0C. - Nhiệt độ hỗn hợp hơi khí đi ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp là 850 0C. - Nhiệt độ hỗn hợp hơi khí vào thiết bị reforming thứ cấp là 850 0C. - Nhiệt độ hỗn hợp hơi khí đi ra khỏi thiết bị reforming thứ cấp là 10000C. VII.1.1. Thiết bị reforming sơ cấp: Ký hiệu: : lượng tương ứng của CH4, C2H6, N2 trong khí tự nhiên, m3/h. a: Tỉ lệ hơi nước: khí tự nhiên. b: Lượng nướctham gia phản ứng với hyđrô cacbon, m3/h. a: % thể tích của CH4 trong khí khô ra khỏi thiết bị, %V. : Lượng CO2, CO, H2 trong sản phẩm khí tổng hợp, m3/h. V: Tổng thể tích khí khô ra khỏi thiết bị, m3/h. Ta có: Cân bằng vật liệu theo C: (1) Cân bằng vật liệu theo H: Hay (2) Cân bằng vật liệu theo O: (3) Tổng thể tích khí khô ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp: (4) Trong quá trình reforming hơi nước luôn kèm theo phản ứng: K Với (5) Tra sổ tay hóa lý trang 43 ta có: (6) ở đây T là nhiệt độ hỗn hợp hơi khí đi ra khỏi thiết bị. Thay các số liệu vào các phương trình từ 1 đến 4 ta có hệ sau: Hệ này tương đương với hệ sau: Thay các giá trị vào phương trình (5) ta có: Từ phương trình (6) ta có: ở T=1123 K (850 0C) thì K = 0,8604 Hay Phương trình này tương đương với phương trình sau: Giải ra ta có: V= 324,258 m3/h. Suy ra: Lượng CH4 còn lại: m3/h. Lượng nước còn lại: m3/h. Tỉ lệ hơi khí ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp: Để tính cân bằng vật chất ta phải đổi thể tích ra trọng lượng theo công thức suy luận của Định luật Avôgađrô: Trong đó: V: lượng khí tính theo m3/h. m: khối lượng, Kg/h. M: trọng lượng phân tử. Từ đó ta có: Bảng VII.1: Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming sơ cấp: Lượng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % Khí tự nhiên CH4 C2H6 N2 70,000 0,536 2,000 25,600 0,196 0,731 98,000 0,400 1,600 28,000 0,114 0,457 Cọng 72,536 26,527 28,571 Hơi nước 200,893 73,473 250,000 71,429 Tổng cọng 273,429 100,000 350,000 100,000 Lượng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % Hỗn hợp khí CO2 CO H2 CH4 N2 49,372 51,549 19,987 23,164 2,000 18,057 18,853 7,310 8,472 0,731 25,135 41,239 223,858 32,430 1,600 5,207 8,542 46,371 6,718 0,331 Cọng 146,072 53,423 324,262 67,169 Hơi nước 127,358 46,577 158,490 32,831 Tổng cọng 273,430 100,000 482,752 100,000 Các tính toán ở trên là tính theo điều kiện lý tưởng nên ta phải chuyển về điều kiện thực tế làm việc của thiết bị. Để chuyển về điều kiện thực ta sử dụng phương trình trạng thái ở điều kiện thực với thông số hiệu chỉnh (z). Suy ra: Với: M : Khối lượng phân tử khí P : áp suất ,MPa T : Nhiệt độ ,K R : Hằng số khí 0,00831 Hệ số hiệu chỉnh (z) được tính theo phương trình Với: Trong đó: Tc : Nhiệt độ tới hạn, K Pc : áp suất tới hạn, MPa T : Nhiệt độ nạp liệu, 5000C = 773K P : áp suất phản ứng, 4MPa Bảng VII.2. Nhiệt độ, áp suất tới hạn TC, PC, hệ số chịu nén (z), khối lượng riêng (r). ở suất P=4 MPa, T=500oC =773 K và T= 850oC=1123 K Cấu tử TC, K PC, MPa 773 K, 4 MPa 1123 K, 4 MPa z r z r CH4 191,000 4,604 0,987 10,095 0,989 6,936 C2H6 305,000 4,884 0,979 19,074 0,986 13,037 H2O 647,000 22,06 0,964 11,632 0,984 7,839 O2 155,000 5,043 0,988 17,639 0,989 12,131 CO2 304,000 7,375 0,983 27,862 0,988 19,095 N2 126,000 3,39 0,988 17,642 0,989 12,132 CO 133,000 3,499 0,988 20,161 0,989 13,864 H2 33,000 1,300 0,990 0,866 BảngVII.3. Cân bằng vật chất ở điều kiện thực Lượng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % Khí tự nhiên CH4 C2H6 N2 70,000 0,536 2,000 25,600 0,196 0,731 6,934 0,028 0,013 Cọng 72,536 26,527 Hơi nước 200,893 73,473 17,271 Tổng cộng 273,429 100,000 24,347 100,000 Lượng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % Hỗn hợp khí CO2 CO H2 CH4 N2 49,372 51,549 19,987 23,164 2,000 18,057 18,853 7,310 8,472 0,731 2,586 4,249 23,080 3,340 0,105 5,206 8,555 46,470 6,724 0,332 Hơi nước 127,358 46,577 Tổng cộng 273,430 100,000 49,666 100,000 VII.1.2. Thiết bị reforming thứ cấp: Ký hiệu: : lượng tương ứng của CO2, CO, H2, CH4, N2 trong sản phẩm khí ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp, m3/h. a: Tỉ lệ hơi nước: khí khô vào thiết bị reforming thứ cấp, a = 0,849. b: Hiệu số lượng hơi nước tham gia phản ứng với mêtan và lượng hơi nước tạo thành do phản ứng cháy của H2 với O2, m3/h. y: lượng không khí cấp vào, m3/h. a: % thể tích của CH4 trong khí khô ra khỏi thiết bị, %V. : Lượng CO2, CO, H2 trong sản phẩm khí tổng hợp, m3/h. V: Tổng thể tích khí khô ra khỏi thiết bị, m3/h. Ta có: Cân bằng vật liệu theo C: Cân bằng vật liệu theo H: Cân bằng vật liệu theo O: Thể tích khí khô đi ra: ở thiết bị reforming thứ cấp, yêu cầu khống chế tỉ lệ H2:N2=3:1 Cho nên : hay Thay số Suy ra: Hệ này tương đương với hệ: Thay vào phương trình tính K ta có: ở 1273 K (1000 0C) thì K = 0,569. Suy ra: Phương trình tương đương: Giải phương trình ta có: V= 456,718 m3/h. Thay V vào hệ trên ta có: (Lượng không khí cần cung cấp) Giá trị b âm có nghĩa là lượng nước tạo thành do phản ứng giữa H2 với O2 lớn hơn lượng hới nước phản ứng với CH4. Vậy lượng nước đi ra: 158,490 + 15,715 = 174,205 m3/h. - Lượng N2 đi ra gồm N2 vào không phản ứng và lượng N2 trong không khí: 1,6 + 0,79.111,238 = 89,478 m3/h. - Lượng CH4 còn lại: 0,005.456,718 = 2,284 m3/h. Bảng VII.4. Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming thứ cấp. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h. % Hỗn hợp khí CO2 CO H2 CH4 N2 - Hơi nước - Không khí 49,372 51,549 19,987 23,164 2 127,358 143,256 11,849 12,371 4,797 5,559 0,48 30,565 34,379 25,135 41,239 223,858 32,430 1,6 158,49 111,238 4,232 6,943 37,687 5,460 0,269 26,682 18,727 Tổng cộng 416,686 100,000 593,990 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h. % - Hỗn hợp khí CO2 CO H2 CH4 N2 - Hơi nước 51,138 88,109 23,968 1,631 111,848 139,986 12,273 21,145 5,752 0,391 26,843 33,596 26,034 70,478 268,436 2,284 89,478 174,205 4,126 11,171 42,547 0,362 14,182 27,612 Tổng cộng 416,680 100,000 630,915 100,000 Bảng VII.5. hệ số chịu nén (z) và khối lượng riêng ở áp suất 3MPa, nhiệt độ 1123K và 1273K. Cấu tử 593 K, 3 MPa 693 K, 3 MPa z r z r CO2 0,989 20,143 0,989 12,619 CO 0,989 12,778 0,990 8,024 H2 0,990 0,912 0,990 0,573 CH4 0,985 7,308 0,989 4,586 N2 0,988 12,776 0,990 8,024 H2O h24251 ân bằng vật chất ở điều kiện thực: 0,976 8,320 0,988 5,168 BảngVII.6. Cân bằng vật chất ở điều kiện thực: Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h. % Hỗn hợp khí CO2 CO H2 CH4 N2 - Hơi nước - Không khí 49,372 51,549 19,987 23,164 2 127,358 143,256 11,849 12,371 4,797 5,559 0,48 30,565 34,379 2,451 4,034 21,921 3,170 0,157 15,307 10,918 4,229 6,961 37,822 5,469 0,270 26,410 18,838 Tổng cộng 416,686 100,000 57,957 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h. % - Hỗn hợp khí CO2 CO H2 CH4 N2 - Hơi nước 51,138 88,109 23,968 1,631 111,848 139,986 12,273 21,145 5,752 0,391 26,843 33,596 4,052 10,891 41,833 0,356 13,940 27,089 4,125 11,176 42,578 0,362 14,188 27,571 Tổng cộng 416,680 100,000 98,251 100,000 VII.2. Cân bằng vật chất ở hệ thống chuyển hóa và tinh chế khí tổng hợp: VII.2.1. Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao: Dòng vào là hỗn hợp khí tổng hợp và hơi nước từ thiết bị reforming thứ cấp chuyển sang. ở đây chỉ có CO bị chuyển hóa còn các cấu tử khác xem như không chuyển hóa. Giả sử có 50% CO bị chuyển hóa ở thiết bị này. Lượng CO còn lại: 0,5. 70,487 = 35,244 m3/h hay 44,055 kg/h. CO + H2O CO2 + H2 28 18 44 2 Phản ứng: - Lượng nước tiêu tốn cho phản ứng: kg/h. - Lượng nước còn lại: kg/h. - Lượng CO2 tạo thành do phản ứng: kg/h. - Lượng CO2 đi ra gồm: kg/h. - Lượng H2 tạo thành do phản ứng: kg/h. - Lượng H2 đi ra: kg/h. Bảng VII.7: Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h. % CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 51,138 88,109 23,968 1,631 111,848 139,986 12,273 21,145 5,752 0,391 26,843 33,596 1,869 5,105 19,482 0,165 6,482 12,286 4,117 11,247 42,923 0,364 14,281 27,068 Tổng cộng 416,680 100,000 45,389 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h. % CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 120,367 44,055 27,115 111,848 1,631 111,665 28,888 10,573 6,507 26,844 0,327 26,861 5,164 2,985 25,759 0,193 7,580 11,515 9,707 5,612 48,423 0,363 14,249 21,646 Tổng cộng 416,681 100,000 53,197 100,000 VII.2.2. Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp: Dòng vào là hỗn hợp hơi khí đi ra từ thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao. ở thiết bị này có 90% CO vào chuyển thành CO2. - Lượng CO bị chuyển hóa: kg/h. - Lượng CO đi ra: kg/h. - Lượng H2O tiêu hao cho phản ứng: kg/h. - Lượng H2O còn lại: kg/h. - Lượng CO2 tạo thành do phản ứng: kg/h. - Lượng CO2 gồm: kg/h. - Lượng H2 tạo thành: kg/h. - Lượng H2 đi ra: kg/h. Bảng VII.8. Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h. % CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 120,367 44,055 27,115 111,848 1,361 111,665 28,888 10,573 6,507 26,844 0,327 26,861 3,454 2,032 17,577 0,131 5,161 7,885 9,531 5,607 48,501 0,362 14,242 21,758 Tổng cộng 416,681 100,000 36,241 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h. % CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 182,674 4,405 29,947 111,848 1,631 86,176 43,840 1,057 7,187 26,843 0,391 20,232 5,486 0,212 20,235 0,137 5,382 6,330 14,521 0,561 53,556 0,362 14,244 16,755 Tổng cộng 416,681 100,000 37,782 100,000 VII.2.3. Cân bằng vật chất ở thiết bị tách CO2. Hỗn hợp khí đi ra từ thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp đã được làm lạnh để ngưng tụ hết nước trước khi đưa vào thiết bị tách CO2. Và ta giả sử hỗn hợp khí vào thiết bị tách CO2 hoàn toàn không có nước. Nghĩa là thành phần khí chỉ gồm: N2, H2, CO, CO2, CH4 có khối lượng tổng cổng là : kg/h. Và ở thiết bị này có 99,9% CO2 bị hấp thụ. Vậy lượng CO2 còn lại: kg/h. Lượng CO2 bị hấp thụ: kg/h. Bảng VII.9. Cân bằng vật chất ở thiết bị tách CO2. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h. % CO2 CO H2 CH4 N2 182,674 4,405 29,947 111,848 1,631 55,271 1,333 9,061 33,842 0,493 92,998 3,254 335,406 89,478 1,905 17,780 0,622 64,126 17,107 0,365 Tổng cộng 330,505 100,000 523,041 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h. % - CO2 bị hấp thụ. - Hỗn hợp khí CO2 CO H2 CH4 N2 182,491 0,183 4,405 29,947 1,631 111,848 55,216 0,055 1,333 9,061 0,493 33,842 92,905 0,093 3,524 335,406 2,283 89,478 17,740 0,018 0,673 64,047 0,436 17,086 Tổng cộng 330,505 100,000 523,689 100,000 VII.2.4. Cân bằng vật chất ở thiết bị mêtan hóa: Giả sử toàn bộ CO, CO2 đi vào thiết bị này đều bị chuyển hóa thành CH4. CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O (2) 28 3.2 16 18 CO + 3H2 CH4 + H2O (1) 28 4.2 16 2. 18 Phản ứng: Lượng CH4 tạo thành ở (1) và (2): (1) kg/h. (2): kg/h. - Lượng CH4 tách ra: kg/h. Lượng H2 tiêu tốn ở 2 phản ứng trên: kg/h. - Lượng H2 đi ra: kg/h. Lượng H2O tạo thành: kg/h. bảng VII.10. Cân bằng vật chất ở thiết bị mêtan hóa. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h. % CO2 CO H2 CH4 N2 0,183 4,405 29,947 1,631 111,848 0,124 2,976 20,233 1,102 75,565 0,007 0,269 25,679 0,174 6,838 0,021 0,817 77,893 0,528 20,740 Tổng cộng 148,014 100,000 430,784 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h. % - Hỗn hợp khí H2 N2 H2O 28,970 111,848 2,982 19,572 75,566 2,015 26,607 7,326 0,297 76,651 21,105 0,857 Cọng 143,800 97,153 CH4 4,214 2,847 0,482 1,389 Tổng cộng 148,014 100,000 34,712 100,000 VII.3. Cân bằng vật chất ở hệ thống tổng hợp NH3. Hỗn hợp hơi khí đi ra từ thiết bị mêtan hóa được làm lạnh đến nhiệt độ khoảng 300C để ngưng tụ hết nước trứoc khi đưa vào thiết bị tổng hợp NH3. Vì hiệu suất quá trình rất thấp chỉ khoảng 28% 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 : 28,970 kg/h. N2 : 111,848 kg/h. N2 + 3H2 2NH3 28% 28 3.2 2.17 Phản ứng: Lượng N2 phản ứng: kg/h. - Lượng N2 còn lại đi ra cho tuần hoàn: kg/h. Lượng H2 phản ứng: kg/h. - Lượng H2 còn lại : kg/h. Lượng NH3 tạo thành: kg/h. a. Lần tuần hoàn thứ nhất: - Hỗn hợp khí vào tháp tổng hợp bây giờ là khí tuần hoàn: H2 : 22,259 kg/h. N2 : 80,531 kg/h. N2 + 3H2 2NH3 28% 28 3.2 2.17 Phản ứng: Lượng N2 phản ứng: kg/h. - Lượng N2 còn lại đi ra cho tuần hoàn: kg/h. Lượng H2 phản ứng: kg/h. - Lượng H2 còn lại : kg/h. Lượng NH3 tạo thành: kg/h. Hiệu suất quá trình sau lần tuần hoàn thứ nhất: %. b. Lần tuần hoàn thứ 2: - Hỗn hợp khí vào tháp tổng hợp bây giờ là khí tuần hoàn: H2 : 17,427 kg/h. N2 : 57,982 kg/h. N2 + 3H2 2NH3 28% 28 3.2 2.17 Phản ứng: Lượng N2 phản ứng: kg/h. - Lượng N2 còn lại đi ra cho tuần hoàn: kg/h. Lượng H2 phản ứng: kg/h. - Lượng H2 còn lại : kg/h. Lượng NH3 tạo thành: kg/h. Hiệu suất quá trình sau lần tuần hoàn thứ hai: %. Tính toán tương tự ta có: c. Lần tuần hoàn thứ 3: - Lượng NH3 tạo thành: 14,194 kg/h. - Hiệu suất quá trình đạt: 73,126 %. d. Lần tuần hoàn thứ 4: - Lượng NH3 tạo thành: 10,219 kg/h. - Hiệu suất quá trình đạt: 80,651 %. e. Lần tuần hoàn thứ 5: - Lượng NH3 tạo thành: 7,359 kg/h. - Hiệu suất quá trình đạt: 86,069 %. g. Lần tuần hoàn thứ 6: - Lượng NH3 tạo thành: 5,298 kg/h. - Hiệu suất quá trình đạt: 89,969 %. h. Lần tuần hoàn thứ 7: - Lượng NH3 tạo thành: 3,814 kg/h. - Hiệu suất quá trình đạt: 92,778 %. i. Lần tuần hoàn thứ 8: - Lượng NH3 tạo thành: 2,747 kg/h. - Hiệu suất quá trình đạt: 94,800 %. k. Lần tuần hoàn thứ 9: - Lượng NH3 tạo thành: 1,977 kg/h. - Hiệu suất quá trình đạt: 96,256 %. l. Lần tuần hoàn thứ 10: - Lượng NH3 tạo thành: 1,424 kg/h. - Hiệu suất quá trình đạt: 97,304 %. - Lượng N2 còn lại đi ra cho tuần hoàn: 3,015 kg/h. - Lượng H2 còn lại : 5,649 kg/h. Vậy sau 10 lần tuần hoàn thì hiệu suất quá trình đạt 97,304%, 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: Kg/h. Bảng VII.11. Cân bằng vật chất ở tháp tổng hợp NH3. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % H2 N2 28,970 111,848 20,573 79,427 5,340 1,462 78,510 21,490 Tổng cộng 140,818 100,000 6,802 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % N2 H2 NH3 3,015 5,649 132,155 2,141 4,012 93,847 12,430 0,472 32,864 27,159 1,030 71,810 Tổng cộng 140,819 100,000 45,766 100,000 Bảng VII.12. Cân bằng vật chất ở tháp tách NH3. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % N2 H2 NH3 3,015 5,649 132,155 2,141 4,012 93,847 62,274 2,376 173,796 26,117 0,997 72,887 Tổng cộng 140,819 100,000 238,446 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % - NH3 sản phẩm - Khí tuần hoàn N2 H2 132,155 3,015 5,649 93,847 2,141 4,012 155,199 2,129 55,768 72,830 0,999 26,170 Tổng cộng 140,819 100,000 213,096 100,000 VII.4. Cân bằng vật chất cho toàn bộ hệ thống: 1. Dòng vào: - Khí tự nhiên và hơi nước vào thiết bị reforming sơ cấp. 273,429 kg/h. - Không khí cấp vào thiết bị reforming thứ cấp. 143,256 kg/h. 2. Dòng ra: - Nước ngưng tụ sau quá trình chuyển hóa CO nhiệt độ thấp và sau quá trình mêtan hóa: kg/h. - CO2 bị hấp thụ ở thiết bị tách CO2: 182,491 kg/h. - Lượng CH4 tách ra trong quá trình mêtan hóa: 4,214 kg/h. - Lượng NH3 sản phẩm: 132,155 kg/h. - Lượng khí tuần hoàn: kg/h. Bảng VII.13. Cân bằng vật chất cho toàn bộ hệ thống. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % - Khí tự nhiên - Hơi nước - Không khí 72,536 200,893 143,256 17,408 48,212 34,380 100,000 250,000 111,238 21,681 54,202 24,117 Tổng cộng 416,685 100,000 461,238 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % - Nước ngưng tụ - CO2 bị hấp thụ - CH4 - NH3 sản phẩm - khí tuần hoàn 89,157 182,491 4,214 132,155 8,664 21,397 43,796 1,011 31,716 2,080 110,951 92,905 5,900 174,134 65,681 24,679 20,665 1,312 38,733 14,611 Tổng cộng 416,681 100,000 449,571 100,000 VII.5. Hiệu chỉnh theo năng suất thiết kế: Năng suất của quá trình là 200.000 tấn/năm. Ta có: Một năm phân xưởng làm việc 8000 h, nên: 200.000tấn/năm kg/h. Cứ 72,536 kg/h nguyên liệu khí tự nhiên (100 m3/h) thì tổng hợp được 132,154 kg/h NH3 . Vậy theo năng suất 25000 kg/h NH3 thì cần một lượng nguyên liệu khí tự nhiên là: kg/h. Như vậy ta hiệu chỉnh lại quá trình tính toán theo hệ số hiệu chỉnh: kg/h. Bảng VII.14. Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming sơ cấp: Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % - Khí tự nhiên CH4 C2H6 N2 13242,110 101,397 378,346 25,601 0,196 0,731 1311,715 5,316 21,449 Cọng 13721,853 26,528 - Hơi nước 38003,531 73,472 3267,287 Tổng cộng 51725,384 100,000 4605,767 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % - Khí tổng hợp CO2 CO H2 CH4 N2 9339,849 9751,679 3781,000 4382,003 378,346 18,057 18,853 7,310 8,472 0,731 489,135 803,827 4366,036 631,785 31,189 5,565 9,131 49,568 7,181 0,354 Cọng 27632,877 53,423 71,799 - Hơi nước 24092,695 46,577 3073,557 28,201 Tổng cộng 51725,572 100,000 9395,528 100,000 Bảng VII.15. Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming thứ cấp: Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % - Khí tổng hợp CO2 CO H2 CH4 N2 9339,849 9751,679 3781,000 4382,003 378,346 11,849 12,371 4,797 5,559 0,480 463,678 763,173 4146,804 599,590 29,613 4,238 6,950 37,724 5,465 0,270 Cọng 27632,877 35,056 54,647 - Hơi nước 24092,695 30,565 2895,594 26,709 - Không khí 27100,167 34,379 2065,397 18,644 Tổng cộng 78825,739 100,000 10963,848 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % - Khí tổng hợp CO2 CO H2 CH4 N2 9673,929 16667,844 4534,098 308,541 21158,622 12,227 21,145 5,752 0,391 26,843 766,603 2077,256 7913,674 67,273 2637,015 4,126 11,172 42,546 0,362 14,182 Cọng 52343,034 66,358 72,388 - Hơi nước 26481,572 33,642 5124,537 27,612 Tổng cộng 78824,606 100,000 18586,358 100,000 Bảng VII.16. Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % - Khí tổng hợp CO2 CO H2 CH4 N2 9673,929 16667,844 4534,098 308,541 21158,622 12,227 21,145 5,752 0,391 26,843 353,481 965,716 3685,555 31,214 1226,195 4,126 11,172 42,546 0,362 14,182 Cọng 52343,034 66,358 72,388 - Hơi nước 26481,572 33,642 2324,190 27,612 Tổng cộng 78824,606 100,000 8586,350 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % - Khí tổng hợp CO2 CO H2 CH4 N2 22770,186 8334,016 512,426 308,541 21158,622 28,887 10,573 0,650 0,391 26,843 976,859 564,722 4872,983 36,537 1433,952 9,712 5,586 48,133 0,362 14,182 Cọng 57700,791 67,344 77,975 - Hơi nước 21124,003 32,656 2178,373 22,025 Tổng cộng 78824,794 100,000 119355,382 100,000 Bảng VII.17. Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % - Khí tổng hợp CO2 CO H2 CH4 N2 22770,186 8334,016 512,426 308,541 21158,622 28,887 10,573 6,507 0,391 26,843 653,425 384,416 3325,129 24,789 976,412 9,712 5,586 48,133 0,362 14,182 Cọng 57700,791 67,344 77,975 - Hơi nước 21124,003 32,656 1491,707 22,025 Tổng cộng 78824,794 100,000 6855,879 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % - Khí tổng hợp CO2 CO H2 CH4 N2 34556,988 833,307 5665,164 308,541 21158,622 43,840 1,057 7,187 0,