Thiết Kế Công Nghệ Sản Xuất Amoniac Từ Khí Tự Nhiên Năng Suất 500.000 T Năm (Kèm bản vẽ Autocad full)

1. Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
Trêng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
Khoa c«ng nghÖ hãa häc
®å ¸n tèt nghiÖp
§Ò tµi:
ThiÕt kÕ c«ng nghÖ s¶n xuÊt amoniac tõ khÝ tù nhiªn
n¨ng suÊt 500.000 t/n¨m
GVHD: PGS. TS. NguyÔn ThÞ Minh HiÒn
SVTH : NguyÔn VÜnh Léc
Líp : Ho¸ dÇu QN – K46
Hµ Néi 06/2006

2. Môc lôc
Trang
Më ®Çu 5
PHÇn I
Tæng quan lý thuyÕt 7
Ch¬ng I
Giíi thiÖu chung vÒ nguyªn liÖu 7
I.1. Thµnh phÇn, ®Æc tÝnh cña nguyªn liÖu 7
I.2. Tinh chÕ khÝ nguyªn liÖu 8
I.3. C¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ hydro tõ nguyªn liÖu chøa metan 8
I.3.1. Ph¬ng ph¸p nhiÖt ph©n 9
I.3.2. Ph¬ng ph¸p reforming h¬i níc 10
I.3.3. Ph¬ng ph¸p oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn 12
Ch¬ng II
Giíi thuÖu chung vÒ amoniac 13
II.1. TÝnh chÊt lý häc 13
II.2 .TÝnh chÊt ho¸ häc 14
II.3. Nh÷ng c¬ së ho¸ lý cña qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac 16
II.3.1. C¬ chÕ cña ph¶n øng tæng hîp amoniac 16
II.3.2. C¬ së nhiÖt ®éng cña ph¶n øng 16
II.3.3. Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh 18
II.4. VÊn ®Ò c©n b»ng láng h¬i trong hÖ 20
II.5. øng dông cña amoniac 20
Ch¬ng III
C«ng nghÖ tæng hîp amoniac 21
III.1. §iÒu kiÖn c«ng nghÖ 21
III.2. Mét sè s¬ ®å tæng hîp ®iÓn h×nh 22
III.3. C¸c d©y chuyÒn c«ng nghÖ s¶n xuÊt amoniac 24
III.3.1. C«ng nghÖ ¸p suÊt cao 24
III.3.2. C«ng nghÖ ¸p suÊt trung b×nh 26
III.3.3. C«ng nghÖ tæng hîp amoniac ¸p suÊt thÊp 27

3. Ch¬ng IV
Lùa chän vµ giíi thiÖu c«ng nghÖ 32
IV.1. Lùa chän c«ng nghÖ 32
IV.2. Giíi thiÖu c«ng nghÖ 32
IV.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña d©y chuyÒn 32
IV.2.2. C¸c qu¸ tr×nh trong d©y chuyÒn 33
IV.2.3. ThiÕt bÞ ph¶n øng chÝnh 37
PhÇn II
TÝnh to¸n c«ng nghÖ 39
Ch¬ng V
TÝnh c©n b»ng vËt chÊt 39
V.1. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt cho thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn 39
V.2. C©n b»ng vËt chÊt cho thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ CO 46
V.2.1. ChuyÓn ho¸ CO ë nhiÖt ®é cao 46
V.2.2. ChuyÓn ho¸ CO ë nhiÖt ®é thÊp 47
V.3. C©n b»ng vËt chÊt cho thiÕt bÞ tæng hîp amoniac 48
Ch¬ng VI
TÝnh c©n b»ng nhiÖt lîng 52
VI.1. C©n b»ng nhiÖt lîng cho thiÕt bÞ chuyÓn hãa khÝ tù nhiªn 52
VI.3. C©n b»ng nhiÖt lîng cho thiÕt bÞ tæng hîp amoniac 57
Ch¬ng VII
TÝnh to¸n c¬ khÝ 60
VII.1. TÝnh thiÕt bÞ s¶n xuÊt khÝ tæng hîp 60
VII.1.1. TÝnh thiÕt bÞ reforming s¬ cÊp 60
VII.1.2. TÝnh thiÕt bÞ reforming thø cÊp 61
VII.2. TÝnh thiÕt bÞ tæng hîp amoniac 64
VII.2.1. ThÓ tÝch cña hai líp xóc t¸c 64
VII.2.2. §êng kÝnh cña thiÕt bÞ 65

4. VII.2.3. ChiÒu cao cña tõng líp xóc t¸c 65
VII.2.4. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt trong th¸p 66
VII.2.5. ChiÒu cao toµn th¸p 66
VII.3. Chän thiÕt bÞ phô 67
PhÇn iii
ThiÕt kÕ x©y dùng 69
III.1. Chän ®Þa ®iÓm x©y dùng 69
III.2. Yªu cÇu khi thiÕt kÕ tæng mÆt b»ng nhµ m¸y 71
iii.3. Gi¶i ph¸p thiÕt kÕ x©y dùng tæng quan mÆt b»ng ph©n xëng 71
III.3.1. Nguyªn t¾c thiÕt kÕ tæng mÆt b»ng ph©n xëng 72
III.3.2. C¸c h¹ng môc c«ng tr×nh 74
III.3.3. MÆt b»ng nhµ m¸y 75
PhÇn IV
TÝnh to¸n kinh tÕ 78
IV.1. Môc ®Ých vµ nhiÖm vô cña tÝnh to¸n kinh tÕ 78
IV.2. C¸c lo¹i chi phÝ 78
IV.3. X¸c ®Þnh kÕt qu¶ cña ph¬ng ¸n kü thuËt 83
IV.3.1. Doanh thu do ph¬ng ¸n kü thuËt ®em l¹i 83
IV.3.2. Lîi nhuËn 84
IV.3.3. Thêi gian hoµn vèn 84
PhÇn V
an toµn vµ vÖ sinh lao ®éng 85
V.1. an toµn lao ®éng 85
V.1.1. Môc ®Ých vµ ý nghÜa 85
VI.1.2. Néi quy an toµn khi vµo c«ng trêng nhµ m¸y 85
VI.1.3. C¸c biÖn ph¸p an toµn lao ®éng 86
VI.2. C«ng t¸c vÖ sinh lao ®éng 87
KÕt luËn 89
TµI LIÖU THAM KH¶O 91

5. Môc lôc
Trang
Më ®Çu..................................................................................................7
PHÇn I...................................................................................................9
Tæng quan lý thuyÕt..............................................................................9
Ch¬ng I.................................................................................................9
Giíi thiÖu chung vÒ nguyªn liÖu...........................................................9
I.1. thµnh phÇn, ®Æc tÝnh cña nguyªn liÖu.............................9
I.2. Tinh chÕ khÝ nguyªn liÖu .........................................................10
I.3. C¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ hydro tõ nguyªn liÖu chøa
metan..........................................................................................................10
I.3.1. Ph¬ng ph¸p nhiÖt ph©n ....................................................................11
I.3.2. Ph¬ng ph¸p reforming h¬i níc ........................................................11
I.3.3. Ph¬ng ph¸p oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn ............................................13
Ch¬ng II..............................................................................................14
Giíi thiÖu chung vÒ amoniac..............................................................14
II.1. TÝnh chÊt lý häc...........................................................................14
II.2. TÝnh chÊt ho¸ häc.......................................................................15
II.3. Nh÷ng c¬ së ho¸ lý cña qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac
........................................................................................................................16
II.3.1. C¬ chÕ cña ph¶n øng tæng hîp amoniac........................................16
II.3.2. C¬ së nhiÖt ®éng cña ph¶n øng......................................................16
II.3.3 . Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh.....................................................................18
II.4. VÊn ®Ò c©n b»ng láng h¬i trong hÖ.................................19
II.5. øng dông cña amoniac ............................................................20
Ch¬ng III.............................................................................................20
C«ng nghÖ tæng hîp amoniac............................................................20
III.1. §iÒu kiÖn c«ng nghÖ.................................................................20
III.2. Mét sè s¬ ®å tæng hîp ®iÓn h×nh .....................................21
III.3. C¸c d©y chuyÒn c«ng nghÖ s¶n xuÊt amoniac ......23
III.3.1. C«ng nghÖ ¸p suÊt cao...................................................................23
III.3.2. C«ng nghÖ ¸p suÊt trung b×nh.......................................................24
III.3.3. C«ng nghÖ tæng hîp amoniac ¸p suÊt thÊp...................................26
Ch¬ng IV.............................................................................................30
Lùa chän vµ giíi thiÖu c«ng nghÖ......................................................30
IV.1. Lùa chän c«ng nghÖ ................................................................30

6. IV.2. GIíi thiÖu c«ng nghÖ ...............................................................30
IV.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña d©y chuyÒn ..........................................30
IV.2.2. C¸c qu¸ tr×nh trong d©y chuyÒn ...................................................31
IV.2.3. ThiÕt bÞ ph¶n øng chÝnh ................................................................34
PhÇn II................................................................................................35
TÝnh to¸n c«ng nghÖ...........................................................................35
Ch¬ng V..............................................................................................35
TÝnh c©n b»ng vËt chÊt......................................................................35
V.1. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt cho thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ khÝ
tù nhiªn.....................................................................................................35
V.2. C©n b»ng vËt chÊt cho thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ CO........41
V.2.1. ChuyÓn ho¸ CO ë nhiÖt ®é cao.......................................................41
V.2.2. ChuyÓn ho¸ CO ë nhiÖt ®é thÊp......................................................42
V.3. C©n b»ng vËt chÊt cho thiÕt bÞ tæng hîp amoniac 43
Ch¬ng VI.............................................................................................46
TÝnh c©n b»ng nhiÖt lîng...................................................................46
Vi.1. C©n b»ng nhiÖt lîng cho thiÕt bÞ chuyÓn hãa khÝ tù
nhiªn............................................................................................................46
VI.3. C©n b»ng nhiÖt lîng cho thiÕt bÞ tæng hîp amoniac
........................................................................................................................50
Ch¬ng VII............................................................................................52
TÝnh c¬ khÝ.........................................................................................52
VII.1. TÝnh thiÕt bÞ s¶n xuÊt khÝ tæng hîp..............................52
VII.1.1. TÝnh thiÕt bÞ reforming s¬ cÊp.....................................................52
VII.1.2. TÝnh thiÕt bÞ reforming thø cÊp....................................................53
VII.2. TÝnh thiÕt bÞ tæng hîp amoniac.......................................56
VII.2.1. ThÓ tÝch cña hai líp xóc t¸c.........................................................56
VII.2.2. §êng kÝnh cña thiÕt bÞ.................................................................57
VII.2.3. ChiÒu cao tõng líp xóc t¸c..........................................................57
VII.2.4. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt trong th¸p.................................................58
VII.2.5. ChiÒu cao toµn th¸p......................................................................58
VII.3. tÝnh Chän c¸c thiÕt bÞ phô..................................................59
PhÇn iii................................................................................................60
ThiÕt kÕ x©y dùng...............................................................................60
III.1. Chän ®Þa ®iÓm x©y dùng.........................................................60
III.1.1. C¸c yªu cÇu chung .......................................................................60
III.1.2. C¸c yªu cÇu vÒ kü thuËt x©y dùng................................................61

7. III.1.3. Chän ®Þa ®iÓm x©y dùng nhµ m¸y................................................61
III.1.4. Lîi thÕ cña khu c«ng nghiÖp Phó Mü...........................................61
III.2. Yªu cÇu khi thiÕt kÕ tæng mÆt b»ng nhµ m¸y..................................62
iii.3. Gi¶i ph¸p thiÕt kÕ x©y dùng tæng quan mÆt b»ng
ph©n xëng................................................................................................63
III.3.1. Nguyªn t¾c thiÕt kÕ tæng mÆt b»ng ph©n xëng.............................63
III.3.2. C¸c h¹ng môc c«ng tr×nh...............................................................64
III.3.3. MÆt b»ng nhµ m¸y.........................................................................65
PhÇn IV...............................................................................................67
TÝnh to¸n kinh tÕ.................................................................................67
IV.1. Môc ®Ých vµ nhiÖm vô cña tÝnh to¸n kinh tÕ............67
IV.2. C¸c lo¹i chi phÝ............................................................................68
IV.3. X¸c ®Þnh kÕt qu¶ cña ph¬ng ¸n kü thuËt...................72
IV.3.1. Doanh thu do ph¬ng ¸n kü thuËt ®em l¹i......................................72
IV.3.2. Lîi nhuËn.......................................................................................72
IV.3.3. Thêi gian hoµn vèn........................................................................72
PhÇn V................................................................................................73
an toµn vµ vÖ sinh lao ®éng...............................................................73
V.1. an toµn lao ®éng........................................................................73
V.1.1. Môc ®Ých vµ ý nghÜa........................................................................73
VI.1.2. Néi quy an toµn khi vµo c«ng trêng nhµ m¸y..............................73
VI.1.3. C¸c biÖn ph¸p an toµn lao ®éng ...................................................74
VI.2. C«ng t¸c vÖ sinh lao ®éng..................................................75
KÕt luËn...............................................................................................76
TµI LIÖU THAM KH¶O........................................................................78
Më ®Çu
Amoniac (NH3) cã ý nghÜa rÊt lín trong c«ng nghiÖp. Vµo n¨m 1909 Fritz
Haber [20] ph¸t minh ra ph¶n øng tæng hîp amoniac ë qui m« phßng thÝ nghiÖm.

8. N¨m 1913 ë §øc Carl Bosch [2] ®a vµo qui m« pilot víi s¶n lîng 30 tÊn/ngµy vµ
dÇn ph¸t triÓn tíi ngµy nay .
Tæng hîp amoniac ®· trë thµnh mét nguån nguyªn liÖu quan träng cho
ph©n ®¹m, ®Æc biÖt lµ sau 1945, nÕu kh«ng nãi lµ nguån nguyªn liÖu chñ yÕu [2].
Ngoµi ra, amoniac cßn lµ nguyªn liÖu cho c«ng nghiÖp quèc phßng, c«ng nghiÖp
d©n dông vµ c«ng nghiÖp tæng hîp h÷u c¬ kh¸c.
Nguyªn liÖu cho qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac dïng nguyªn liÖu chÝnh lµ
khÝ nit¬ vµ hydro. Nguån gèc nit¬ duy nhÊt vµ v« tËn lµ kh«ng khÝ. Nguån hydro
còng ngµy cµng ®a d¹ng tõ than, sang dÇu, sang khÝ, ... tíi 1990 tû träng khÝ
trong c¬ cÊu nguyªn liÖu ®· lªn ®Õn 78,7%; dÇu naphta 5%; dÇu nÆng 3,4%; than
vµ cè: 10,9%; c¸c nguån kh¸c:1,6%. Cïng víi sù ph¸t triÓn cña c«ng nghiÖp
khai th¸c, chÕ biÕn khÝ tù nhiªn vµ dÇu má ngêi ta ®· chuyÓn sang sö dông c¸c
lo¹i nguyªn liÖu nµy[2] v× ®Çu t Ýt, tiªu hao n¨ng lîng thÊp.
Nh÷ng sè liÖu [1] sau ®©y chøng minh cho xu thÕ ®ã, tuy chØ cã gi¸ trÞ
tham kh¶o :
KhÝ tù nhiªn Naphta DÇu nÆng Than
§Çu t c¬ b¶n 1,00 1,18 1,50 2,00
Tiªu hao n¨ng lîng 1,00 1,05 1,11 1,45
Víi lîi thÕ nguån nguyªn liÖu khÝ tù nhiªn dåi dµo, nªn viÖc ph¸t triÓn
c«ng nghÖ s¶n xuÊt NH3 tõ khÝ tù nhiªn ë níc ta lµ híng ®i ®óng ®¾n, nh»m tËn
dông ®îc nguån nguyªn liÖu s½n cã.
C«ng nghÖ tæng hîp amoniac ®îc ®a vµo sö dông trong quy m« c«ng
nghiÖp míi ®îc kho¶ng mét thÕ kû. Nhng do nhu cÇu lín vÒ c¬ cÊu nguyªn liÖu,
vÒ d©y chuyÒn vµ thiÕt bÞ, vÒ hÖ thèng ®iÒu chØnh ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh
s¶n xuÊt, ... ®Òu ®· cã nh÷ng thay ®æi to lín [2]. C¸c c«ng nghÖ amoniac hiÖn
nay gåm cã: c«ng nghÖ ¸p suÊt thÊp, c«ng nghÖ ¸p suÊt trung b×nh, c«ng nghÖ ¸p
suÊt cao. Song c«ng nghÖ ¸p suÊt thÊp cã u ®iÓm lµ vèn ®Çu t vµ gi¸ thµnh s¶n
phÈm thÊp nªn hÇu hÕt c¸c nhµ m¸y s¶n xuÊt amoniac trªn thÕ giíi ®Òu sö dông
lo¹i c«ng nghÖ nµy [1].
Ngoµi ra, viÖc n©ng cao c«ng suÊt nhµ m¸y còng gióp gi¶m gi¸ thµnh s¶n
xuÊt [20]. §Ó tho¶ m·n nhu cÇu sö dông NH3 ngµy cµng t¨ng, c¸c nhµ s¶n xuÊt
híng tíi môc tiªu tiÕt kiÖm n¨ng lîng vµ n©ng cao hiÖu qu¶ sö dông thiÕt bÞ [20].
Ph©n bãn ®îc s¶n xuÊt tõ amoniac ®¸p øng nhu cÇu nu«i sèng kho¶ng
40% d©n sè thÕ giíi vµ lµ nguån cung cÊp 40 ÷60% nit¬ trong c¬ thÓ con ngêi
[20]. Níc ta lµ mét níc n«ng nghiÖp, nªn hµng n¨m chóng ta ph¶i nhËp khÈu mét
lîng lín ph©n ®¹m ®Ó bãn cho c©y trång.

9. Do ®ã, viÖc nghiªn cøu thiÕt kÕ ph©n xëng s¶n xuÊt amoniac ®Ó tæng hîp
ph©n ®¹m vµ c¸c ngµnh c«ng nghiÖp ho¸ häc kh¸c lµ rÊt cÇn thiÕt nh»m ®¸p øng
nhu cÇu sö dông trong níc, gi¶m thiÓu chi phÝ nhËp khÈu tõ níc ngoµi.
Víi ®å ¸n thiÕt kÕ ph©n xëng s¶n xuÊt NH3 tõ khÝ tù nhiªn n¨ng suÊt
500.000 tÊn/n¨m nµy em hy väng sÏ bæ sung thªm kiÕn thøc ®Ó gãp phÇn nhá bÐ
vµo c«ng cuéc x©y dùng ®Êt níc ngµy cµng giµu m¹nh.
PHÇn I
Tæng quan lý thuyÕt
Ch¬ng I
Giíi thiÖu chung vÒ nguyªn liÖu
I.1. thµnh phÇn, ®Æc tÝnh cña nguyªn liÖu
KhÝ tù nhiªn lµ khÝ chøa trong c¸c má khÝ riªng biÖt [3]. KhÝ tù nhiªn chøa
chñ yÕu CH4 c¸c khÝ nÆng C3 ÷ C4 rÊt Ýt (b¶ng I.1) [3] . Thµnh phÇn cña nh÷ng
cÊu tö c¬ b¶n trong khÝ thay ®æi trong mét ph¹m vi kh¸ réng tïy theo má dÇu
khai th¸c [1].
B¶ng I.1. Thµnh phÇn khÝ tù nhiªn
Thµnh phÇn % thÓ tÝch % khèi lîng
Metan 92,34 89,4
Etan 1,92 3,5
Propan 0,58 1,4
Butan 0,30 1,1
Pentan 1,05 4,6
Phihydrocacbon 3,85 4,6
Ngoµi ra, trong thµnh phÇn khÝ tù nhiªn cßn cã H2O, H2S cïng c¸c hîp
chÊt chøa lu huúnh, CO2, N2 vµ Heli . Ngêi ta cßn ph©n lo¹i khÝ theo hµm lîng
hydrocacbon tõ propan trë lªn. KhÝ giµu propan butan vµ c¸c hydrocacbon nÆng

10. (trªn 150g/m3) ®îc gäi lµ khÝ bÐo (hay khÝ dÇu). Cßn khÝ chøa Ýt hydrocacbon
nÆng (tõ propan trë lªn, díi møc 50g/m3) gäi lµ khÝ kh« (hay khÝ gÇy). Tr÷ lîng
khÝ cã thÓ ph¸t hiÖn íc tÝnh vµo kho¶ng 1300 tû m3 khÝ [1] .
Víi nh÷ng u viÖt cña m×nh khÝ tù nhiªn cã thÓ sö dông ë hÇu kh¾p c¸c lÜnh
vùc kinh tÕ [14] :
- Sö dông khÝ lµm nhiªn liÖu : ë nhiÒu níc ®· dïng khÝ ®Ó ph¸t ®iÖn b»ng
c¸c nhµ m¸y ®iÖn ch¹y b»ng tuabin khÝ, tuabin khÝ chu tr×nh hçn hîp. Trong c¸c
ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c cã thÓ ®îc sö dông cho c¸c lß ®èt trùc tiÕp trong c¸c
nhµ m¸y s¶n xuÊt vËt liÖu x©y dùng, luyÖn c¸n thÐp, thuû tinh cao cÊp,…
- Sö dông khÝ lµm nguyªn liÖu : KhÝ cßn cã thÓ dïng lµm nguyªn liÖu cho
nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c nh s¶n xuÊt ph©n ®¹m urª cho n«ng nghiÖp chÊt
næ cho khai kho¸ng vµ quèc phßng, s¶n xuÊt metanol b¸n s¶n phÈm tõ ®ã cã thÓ
®iÒu chÕ MTBE,…
KhÝ tù nhiªn cña ViÖt Nam chøa Ýt H2S [1]. Vµ víi tr÷ lîng kho¶ng 200 tû
m3 khÝ tù nhiªn, níc ta ®îc xÕp vµo 40 níc khai th¸c khÝ tù nhiªn thÕ giíi (theo
tin tõ Bangkok Post ) [14] .
I.2. Tinh chÕ khÝ nguyªn liÖu
KhÝ sau khi khai th¸c ngoµi c¸c cÊu tö chÝnh lµ c¸c hydrocacbon parafin,
cßn cã chøa c¸c t¹p chÊt nh : bôi, h¬i níc, khÝ tr¬, CO2, H2S vµ c¸c hîp chÊt chøa
S, ... . Tríc khi ®a vµo chÕ biÕn khÝ cÇn ph¶i qua c«ng ®o¹n chuÈn bÞ khÝ. T¹i ®ã
tiÕn hµnh lo¹i bá c¸c t¹p chÊt b»ng c¸c qu¸ tr×nh t¸ch bôi, t¸ch h¬i níc vµ t¸ch
c¸c axit [1].
I.3. C¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ hydro tõ nguyªn liÖu chøa
metan
HiÖn nay cã ba ph¬ng ph¸p [2] ®iÒu chÕ hydro tõ nguån nguyªn liÖu chøa
metan (CH4) :
- Ph¬ng ph¸p nhiÖt ph©n thùc hiÖn ph¶n øng:
CH4 C + 2H2 (1)
- Ph¬ng ph¸p reforming h¬i níc, c¸c oxit kh¸c:
CH4 + H2O CO + 3H2 (2)
CH4 + CO2 2CO + 2H2 (3)
- Ph¬ng ph¸p oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn:
2CH4 + O2 2CO + 4H2 (4)

11. I.3.1. Ph¬ng ph¸p nhiÖt ph©n
§©y lµ ph¶n øng thu nhiÖt rÊt lín
CH4 C + 2H2 , ∆H298 = 82,4 (kJ/mol)
H»ng sè c©n b»ng cña ph¶n øng ®îc x¸c ®Þnh:
lgKp = lg 3,11T10.1,13T00177,0Tlg58,5
T
3140
P
P 26
4CH
2
2H
−−−+−= −
B¶ng I.1. Nång ®é c©n b»ng theo nhiÖt ®é
NhiÖt ®é, 0
C 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Kp 0,328 3,96 36,6 93,6 186
CH4
*
% 56,8 33,5 17 2,59 4,55 2,59 1,62 1,04 0,3
H2
*
% 43,2 66,5 82,7 97,41 95,45 97,41 98,88 98,96 99,7
Cã thÓ thÊy ®Ó ®iÒu chÕ hydro tinh khiÕt cho tæng hîp NH3 cÇn khèng chÕ
nhiÖt ®é kho¶ng 1100 ÷ 13000C. §Ó gi¶i quyÕt ®¹t nhiÖt ®é cao nh vËy, trong mét
ph¶n øng thu nhiÖt lín thêng trong c«ng nghiÖp dïng ph¶n øng cã tÝnh chu kú.
Trong giai ®o¹n ®Çu, kho¶ng 1 ®Õn 2 phót th«ng kh«ng khÝ ®èt ch¸y metan
- n©ng nhiÖt ®é lªn 1200 ÷ 16000C; giai ®o¹n 2 kÐo dµi kho¶ng 5÷6 phót thùc
hiÖn ph¶n øng nhiÖt ph©n. Cuèi giai ®o¹n khi nhiÖt ®é h¹ xuèng 900 ÷ 9500C,
mét chu kú míi l¹i b¾t ®Çu.
Tuy vËy, nång ®é khÝ s¶n phÈm chØ ®¹t 70 ÷ 80%H2; 10% CH4; 5% CO;
0,5% CO2 vµ mét sè etylen, naphtalen, benzen , ... .
Theo víi sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ xóc t¸c, ngµy cµng Ýt c¬ së s¶n xuÊt
sö dông ph¬ng ¸n nµy, chuyÓn sang ph¬ng ph¸p reforming CH4 trong h¬i níc víi
sù cã mÆt cña xóc t¸c.
I.3.2. Ph¬ng ph¸p reforming h¬i níc
Díi t¸c dông cña xóc t¸c c¸c cacbua hydro ph¶n øng víi kh«ng khÝ, hoÆc
oxy, hoÆc h¬i níc chuyÓn ho¸ thµnh hydro vµ c¸c hîp chÊt cña oxit cacbon kh¸c.
S¬ ®å tæng qu¸t qu¸ tr×nh reforming h¬i níc cho tæng hîp NH3
KhÝ cacbua hydro NÐn Hydro ho¸ S Khö H2
S b»ng ZnO
H¬i níc ChuyÓn ho¸ lÇn 1 (reforming)
Kh«ng khÝ Ph©n ly kh«ng
khÝ
ChuyÓn ho¸ lÇn 2
Thu håi nhiÖt
s¶n h¬i níc
ChuyÓn ho¸ CO
Khö CO2
, CO
Metan ho¸ khö CO, CO2
M¸y nÐn khÝ
Tæng hîp NH3

12. I.3.2.1. Ph¶n øng chuyÓn ho¸ khÝ cacbua hydro trong h¬i níc
CH4 + H2O CO + 3H2 , ∆H = 206,3 (kJ/mol) (1)
CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 , ∆H = 165,3 (kJ/mol) (2)
CO + H2O CO2 + H2 , ∆H = -41,2 (kJ/mol) (3)
CO2 + CH4 2CO + 2H2 , ∆H = 247,3 (kJ/mol) (4)
C¸c lo¹i cacbua hydro cao còng tiÕn hµnh ph¶n øng t¬ng tù. Cã thÓ viÕt
ph¶n øng tæng qu¸t nh sau:
CnH2n+2 + nH2O nCO + (2n+1)H2 (5)
Song song víi ®ã cßn 1 lo¹t c¸c ph¶n øng phô:
2CO CO2 + C , ∆H = -72,4 (kJ/mol) (6)
CO + H2 C + H2O , ∆H = -122,6 (kJ/mol) (7)
CH4 C + 2H2 , ∆H = 82,4 (kJ/mol) (8)
Ba ph¶n øng chuyÓn ho¸ (1), (2), (4) lµ ph¶n øng thu nhiÖt, hiÖu øng nhiÖt
kh¸ lín. Cã thÓ nãi tæng hîp hiÖu øng nhiÖt lµ qu¸ tr×nh thu nhiÖt, ph¶n øng
chuyÓn ho¸ cÇn bæ sung lîng nhiÖt rÊt lín.
* VÊn ®Ò tèc ®é ph¶n øng reforming s¬ cÊp
NÕu kh«ng cã xóc t¸c, ngay ë 13000C tèc ®é ph¶n øng rÊt chËm, h»ng sè
tèc ®é ph¶n øng:
K = 2,3. 109. e-65000/RT (phót-1)
So víi ph¶n øng xóc t¸c , ë 700 ÷ 8000C

13. K = 7,8. 109. e-22700/RT (phót-1)
V× vËy trong c«ng nghiÖp chñ yÕu dïng xóc t¸c, ®Èy m¹nh cã chän läc
ph¶n øng (1). NhiÒu hîp chÊt cña c¸c nguyªn tè Co, Pd, Pt, Rh, Ir, .... cã t¸c
dông xóc t¸c ®èi víi ph¶n øng, song víi Ni: ho¹t tÝnh võa ®ñ cao ë nhiÖt ®é
kh«ng lín l¾m, rÎ, dÔ t×m kiÕm vµ chÕ t¹o, cho nªn hÇu hÕt c¸c c¬ së s¶n xuÊt
®Òu dïng xóc t¸c Ni. C¸c phô gia thêng dïng lµ c¸c oxit kim lo¹i cã kh¶ n¨ng æn
®Þnh, kh«ng bÞ khö ë nhiÖt ®é cao nh Al2O3 , MgO, Cr2O3 ,...
I.3.2.2. Ph¶n øng chuyÓn ho¸ ë reforming thø cÊp
ë reforming s¬ cÊp, ph¶n øng diÔn ra díi ¸p suÊt thêng ( 0,3 ÷ 0,35 MPa ),
hay ¸p suÊt cao (1,0 ÷ 3,5 MPa), thêng nhiÖt ®é kho¶ng 650 ÷ 8700C. Do ph¶n
øng thu nhiÖt nªn thêng sau giai ®o¹n 1 hµm lîng CH4 xuèng kho¶ng 2 ÷ 4%,
nh÷ng n¨m gÇn ®©y cã khuynh híng n©ng hµm lîng nµy lªn cao h¬n n÷a nh»m
t¨ng hiÖu suÊt thiÕt bÞ vµ gi¸ trÞ kinh tÕ trong c«ng nghÖ.
Sau ®ã tiÕp tôc hoµn thiÖn chuyÓn ho¸ c«ng ®o¹n 2 nh»m h¹ hµm lîng CH4
xuèng vµ ®ång thêi còng bæ sung mét lîng Nit¬ nhÊt ®Þnh nh»m ®¹t tû lÖ H2: N2
= 3 : 1 .
C¸c ph¶n øng:
H2 + 1/2 O2 H2O
CO + 1/2O2 CO2
CH4 + 1/2 O2 CO + 2H2
Ngoµi ra cßn cã nh÷ng ph¶n øng phô.
CH4 + H2O CO + 3H2
CH4 + CO2 2CO + 2H2
CO + H2O CO2 + H2
Trong ®ã chñ yÕu lµ ph¶n øng gi÷a H2 vµ O2 v× tèc ®é ph¶n øng nµy gÊp
103 ®Õn 104 lÇn c¸c ph¶n øng kh¸c. Xóc t¸c ®o¹n 2 c¬ b¶n t¬ng tù ®o¹n 1, song
®Æc ®iÓm ph¶n øng ë ®o¹n 2 lµ nhiÖt ®é cao. Thêng xuyªn ë miÒn nhiÖt ®é 1000
÷ 12500C thËm chÝ khi lµm viÖc æn ®Þnh cã thÓ lªn tíi 1400 ÷ 14500C. V× vËy
yªu cÇu cao ®èi víi kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt cña xóc t¸c.
I.3.3. Ph¬ng ph¸p oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn
- Tríc hÕt thùc hiÖn ph¶n øng ch¸y cña metan:
CH4 + 2O2 CO2 + H2O (1)
- Bíc hai s¶n phÈm CO2, H2O cña ph¶n øng ch¸y ph¶n øng víi CH4 d sau
ph¶n øng bíc mét.

14. CH4 + H2O CO + 3H2 (2)
CH4 + CO2 2CO + 2H2 (3)
Ph¶n øng (1) diÔn ra cùc nhanh; ph¶n øng (2) , (3) rÊt chËm. Trêng hîp
kh«ng dïng xóc t¸c nhiÖt ®é ph¶n øng trong kho¶ng 1400 ÷ 15000C .
Ch¬ng II
Giíi thiÖu chung vÒ amoniac
II.1. TÝnh chÊt lý häc
Amoniac lµ mét chÊt khÝ kh«ng mµu, mïi khai vµ xèc, nhÑ h¬n kh«ng khÝ.
Nã cã nhiÖt ®é nãng ch¶y lµ -77,750C vµ nhiÖt ®é s«i lµ -33,350C. Lµ ph©n tö cã
cùc, amoniac tan rÊt dÔ trong níc, mét lÝt níc ë 00C hoµ tan 1200 lÝt khÝ NH3 , ë
200C lµ 700 lÝt NH3 .[5]
Do cã cùc tÝnh lín, nh÷ng ph©n tö amoniac cã kh¶ n¨ng kÕt hîp víi nhau
nhê liªn kÕt hydro cho nªn nhiÖt ®é nãng ch¶y, nhiÖt ®é s«i vµ nhiÖt ho¸ h¬i cña
nã ( 22,82 kJ/mol ) qu¸ cao so víi nh÷ng hîp chÊt t¬ng tù.[5]
Amoniac láng cã h»ng sè ®iÖn m«i[5] t¬ng ®èi lín nªn lµ mét dung m«i
ion ho¸ tèt ®èi víi nhiÒu chÊt. Còng nh níc, amoniac láng tù ph©n ly theo qu¸
tr×nh :
2NH3 NH4
+ + NH2
H»ng sè ®iÖn ly rÊt bÐ , tÝch sè ion cña amoniac láng ë -500C
33
2NH
4
NHC050
10.2C.CK −
−+−
==
T¬ng tù víi níc, nh÷ng chÊt nµo khi tan trong amoniac láng mµ lµm t¨ng
nång ®é NH4
+ lµ axit vµ lµm t¨ng nång ®é NH2 lµ baz¬
Amoniac láng cã kh¶ n¨ng hoµ tan c¸c kim lo¹i kiÒm vµ kiÒm thæ t¹o nªn
dung dÞch cã mµu lam thÉm.
§é nhít [15] dung dÞch amoniac ë -20 ÷ 1500C vµ ¸p suÊt 0,098 MPa cã
thÓ ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
21186
v10.8,2v.10.75,210.83,9 −−−
++=η
Mét sè h»ng sè vËt lý [15] quan träng cña amoniac ®î thÓ hiÖn trong b¶ng
II.1 .
B¶ng II.1. Mét sè h»ng sè vËt lý quan träng cña NH3

15. Tªn H»ng sè
Ph©n tö lîng 17,0312
ThÓ tÝch ph©n tö ë 00
C, 101,3kPa 22,08 ( l/mol )
H»ng sè khÝ R 0,48818 (kPa .m3
/kg.h)
Tû träng cña láng ë 00
C vµ 101,3 kPa 0,6386 ( g/cm3
)
Tû träng cña khÝ ë 00
C vµ 101,3 kPa 0,7714 ( g/l )
Tû träng cña láng ë -33,430
C vµ 101,3kPa 0,682 (g/cm3
)
Tû träng cña khÝ ë -33,430
C vµ 101,3kPa 0,888 ( g/l )
¸p suÊt tíi h¹n 11,28 ( MPa )
NhiÖt ®é tíi h¹n 132,4 ( 0
C )
Tû träng tíi h¹n 0,235 ( g/cm3
)
ThÓ tÝch tíi h¹n 4,225 ( cm3
/g )
§é nÐn tíi h¹n 0,242
§é dÉn ®iÖn tíi h¹n 0,522 ( kJ/K.h.m )
§é nhít tíi h¹n 23,90.10-3
( mPa.s )
NhiÖt ®é nãng ch¶y -77,71 ( 0
C )
NhiÖt ®é nãng ch¶y (ë 101,3kPa) 332,3 ( kJ/kg )
¸p suÊt h¬i 6,077 ( kPa )
§iÓm s«i (ë 101,3kPa) -33,43 ( 0
C )
NhiÖt ho¸ h¬i (ë 101,3kPa) 1370 ( kJ/kg )
Entanpi tiªu chuÈn cña khÝ (ë 250
C) -45,72 ( kJ/mol )
Entropi tiªu chuÈn cña khÝ (ë 250
C) 192,731 ( J/molK )
II.2. TÝnh chÊt ho¸ häc
VÒ mÆt ho¸ häc [5] amoniac lµ chÊt kh¸ ho¹t ®éng. Víi cÆp electron tù do
ë nit¬, amoniac cã kh¶ n¨ng kÕt hîp dÔ dµng víi nhiÒu chÊt.
Khi tan trong níc, amoniac kÕt hîp víi ion H+ cña níc t¹o thµnh ion NH4
+
vµ dung dÞch trë nªn cã tÝnh baz¬.
NH3 + H+ = NH4
+
H2O H+ + OH
vµ ph¶n øng tæng qu¸t cã thÓ viÕt lµ:
NH3 (dd) + H2O NH4
+ + OH
H»ng sè ph©n ly cña NH3 ë trong dung dÞch ë 250C lµ:
K = 5
NH
OHNH
10.8,1
C
C.C
)dd(3
4 −
=
−+
Nh vËy dung dÞch NH3 trong níc lµ mét baz¬ yÕu
KhÝ NH3 dÔ dµng kÕt hîp víi HCl t¹o nªn muèi NH4Cl ë d¹ng khãi tr¾ng.
NH3 + HCl = NH4Cl
KhÝ amoniac cã thÓ ch¸y khi ®èt trong oxi cho ngän löa mµu vµng t¹o nªn
khÝ nit¬ vµ níc.
4NH3 + 3O2 = 3N2 + H2O
Khi cã platin hay hîp kim platin - rodi lµm chÊt xóc t¸c ë 8000C ÷ 9000C,
khÝ amoniac bÞ oxy kh«ng khÝ oxy ho¸ thµnh nit¬ oxit.
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

16. Trong trêng hîp nµy ngêi ta thæi nhanh hçn hîp khÝ ®i qua chÊt xóc t¸c .
NÕu cho hçn hîp ®i chËm qua sîi ami¨ng chøa muéi platin, ph¶n øng x¶y ra
kh¸c:
2NH3 + 2O2 = NH4NO3 + H2O
Clo vµ br«m oxi ho¸ m·nh liÖt amoniac ë tr¹ng th¸i khÝ vµ tr¹ng th¸i dung
dÞch.
2NH3 + 3Cl2 = N2 + 6HCl
§èi víi c¸c chÊt oxi ho¸ kh¸c, amoniac bÒn ë ®iÒu kiÖn thêng. Khi ®un
nãng nã khö ®îc oxit cña 1 sè kim lo¹i.
3CuO + 2NH3 = N2 + 3H2O + 3Cu
ë nhiÖt ®é cao nh÷ng nguyªn tö hydro trong ph©n tö amoniac cã thÓ ®îc
lÇn lît thÕ b»ng c¸c kim lo¹i ho¹t ®éng t¹o thµnh ami®ua (chøa nhãm NH2 ),
imi®ua (chøa nhãm NH2-) vµ nitrua (chøa ion N3-)
2Na + 2NH3 = 2NaNH2 + H2
ë 800 ÷ 9000C nh«m t¬ng t¸c víi khÝ amoniac t¹o thµnh nh«m nitrua vµ
hydro:
2Al + 2NH3 = 2AlN + 3H2
II.3. Nh÷ng c¬ së ho¸ lý cña qu¸ tr×nh tæng hîp
amoniac
Ph¶n øng tæng hîp NH3 trong c«ng nghiÖp lµ mét ph¶n øng thuéc lo¹i
ph¶n øng khÝ r¾n. HÖ kh«ng ®ång nhÊt, tiÕn hµnh trªn xóc t¸c víi thµnh phÇn c¬
b¶n lµ s¾t tõ vµ mét sè phô gia nh Al2O3, K2O, CaO, ... [2] .
II.3.1. C¬ chÕ cña ph¶n øng tæng hîp amoniac
C¬ chÕ [12] cña ph¶n øng tæng hîp NH3 trªn xóc t¸c s¾t x¶y ra nh sau:
N2 + 2Fe 2N - Fe (1)
H2 + 2Fe 2H - Fe (2)
H-Fe + N-Fe NH - Fe + Fe (3)
NH-Fe + H-Fe NH2-Fe + Fe (4)
NH2-Fe + H-Fe NH3 + Fe (5)
II.3.2. C¬ së nhiÖt ®éng cña ph¶n øng
Ph¬ng tr×nh ph¶n øng c¬ b¶n cña qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac[1]:
N2 + 3H2 2NH3 + 91,44 (kJ/mol)
§©y lµ ph¶n øng thuËn nghÞch, to¶ nhiÖt. H»ng sè c©n b»ng ®îc biÓu diÔn
b»ng biÓu thøc:

17. Kp = 3
2H2N
2
3NH
P.P
P
trong ®ã: 2H2N3NH P,P,P lµ ¸p suÊt riªng phÇn cña c¸c cÊu tö NH3, N2, H2.
H»ng sè c©n b»ng cã thÓ tÝnh theo ph¬ng tr×nh Van't Hoff:
2
RT
H
dT
)Kp(lnd ∆
=
Ph¬ng ph¸p nµy cho ®é chÝnh x¸c kh«ng cao v× khã x¸c ®Þnh ®îc c¸c gi¸
trÞ nhiÖt dung ®¼ng ¸p cña c¸c cÊu tö ë ¸p suÊt cao vµ ®Þnh luËt Dalton vÒ ¸p su¸t
riªng phÇn cã sai sè lín khi ¸p dông ®èi víi khÝ thùc.
Sö dông ph¬ng ph¸p tÝnh theo fugat cho kÕt qu¶ phï hîp h¬n:
Kf = 2/3*
2H
2/1*
2N
*
3NH
2/3
2H
2/1
2N
3NH
2/3*
2H
2/1*
2N
*
3NH
P.P
P
.
.f.f
f
ϕϕ
ϕ
=
trong ®ã: *
if : fugat cña cÊu tö i lóc c©n b»ng
*
iP : ¸p suÊt riªng phÇn cña cÊu tö i lóc c©n b»ng
ϕi: hÖ sè fugat cña cÊu tö i, ®îc tÝnh theo c«ng thøc ϕi = *
if / *
iP
HÖ sè fugat ϕi cña cÊu tö i phô thuéc vµo nhiÖt ®é rót gän Tr = T/ Tc vµ ¸p
suÊt rót gän Pr = P / Pc
NÕu ®Æt: Kϕ = 2/3
2H
2/1
2N
3NH
.ϕϕ
ϕ
vµ Kp = 2/3*
2H
2/1*
2N
*
3NH
P.P
P
Ta cã Kf = Kϕ . Kp , víi Kp ®îc tÝnh theo ph¬ng tr×nh thùc nghiÖm.
IT10.8564,1TTlg4943,2
T
18,2074
Klg 27
p +−β++−= −
trong ®ã: T lµ nhiÖt ®é trung b×nh cña qu¸ tr×nh ph¶n øng , K
β lµ hÖ sè phô thuéc vµo ¸p suÊt , ë 300at : β = 1,256.10-4
I lµ h»ng sè tÝch ph©n , I =-2,206
X¸c ®Þnh ®îc Kp cho phÐp x¸c ®Þnh ®îc nång ®é amoniac lóc c©n b»ng
theo c«ng thøc sau:
010Y.
P
K308
Y200Y 4
a
p
a
2
a =+−−
trong ®ã: Ya : nång ®é amoniac lóc c©n b»ng , % thÓ tÝch

18. P : ¸p suÊt trung b×nh trong th¸p , at
Kp : h»ng sè c©n b»ng cña ph¶n øng
HiÖu øng nhiÖt cña ph¶n øng phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cã thÓ x¸c
®Þnh theo c«ng thøc :
Q = 9157 + 3624
3
5
T10.69,16T10.52,235,5P.
T
10.459
T
6,840
545,0 −++







++
trong ®ã : Q lµ hiÖu øng nhiÖt , KJ/mol
T lµ nhiÖt ®é , K
P lµ ¸p suÊt , at
II.3.3 . Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh
Ph¶n øng tiÕn hµnh víi mét tèc ®é rÊt nhá, kÓ c¶ ë nhiÖt ®é cao. V× vËy
buéc ph¶i sö dông xóc t¸c.
HiÖn sö dông xóc t¸c gèc Fe3O4 [1] thêng cã c¸c phô gia oxit cña c¸c
nguyªn tè Al, K, Ca, Mg, ... vµ mét sè t¹p chÊt theo vµo trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o
nh Si, Ti, S, P, Cl, ... khi t¨ng hµm lîng Al2O3 ®é bÒn nhiÖt vµ ®é bÒn c¬ cña xóc
t¸c t¨ng. Tuy nhiªn lîng Al2O3 nhiÒu g©y khã kh¨n cho qu¸ tr×nh t¸i sinh xóc t¸c
vµ c¶n trë sù nh¶ hÊp thô NH3 trªn bÒ mÆt xóc t¸c. Ngoµi Al2O3, cßn cã mét sè
oxit kh¸c còng cã t¸c dông æn ®Þnh cÊu tróc cña xóc t¸c, møc ®é æn ®Þnh cÊu
tróc cña chóng ®îc s¾p xÕp theo thø tù sau:
Al2O3 > TiO2> Cr2O3>MgO > MnO = CaO > SiO2 > BeO
C¸c oxit kim lo¹i kiÒm cã t¸c dông lµm t¨ng cêng trao ®æi ®iÖn tö ho¹t
ho¸ qu¸ tr×nh trung gian, do ®ã t¨ng ho¹t tÝnh xóc t¸c lµm viÖc ë ¸p suÊt cao,
®ång thêi t¹o ®iÒu kiÖn nh¶ hÊp phô NH3 tèt h¬n vµ t¨ng kh¶ n¨ng chÞu ngé ®éc
víi H2S [1] .
Ngoµi ra, c¸c oxit ®Êt hiÕm nh Sm2O3 , HoO3 , Fr2O3 [1] còng gãp phÇn
t¨ng ho¹t tÝnh xóc t¸c. Trong qu¸ tr×nh ho¹t ho¸ c¸c oxit nµy bÞ khö thµnh kim
lo¹i vµ t¹o hîp kim víi s¾t. Céng víi nh÷ng ph¸t minh trong chÕ t¹o, ho¹t tÝnh
xóc t¸c [2] t¨ng râ rÖt, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt lµm viÖc ®Òu gi¶m, t¹o ®iÒu kiÖn lµm
biÕn ®æi c«ng nghÖ nh h¹ ¸p suÊt tæng hîp xuèng phæ biÕn ë møc 10 ÷ 15 MPa
nhiÖt ®é lµm viÖc cã thÓ gi¶m xuèng 3600C, thËm chÝ 3500C, mang l¹i nh÷ng gi¸
trÞ kinh tÕ cao.
B¶ng II.2. Mét sè ®Æc ®iÓm cña c¸c lo¹i xóc t¸c [2]
H·ng
Lo¹i xóc
t¸c
Thµnh phÇn §iÒu kiÖn lµm viÖc
K2O Al2O3 CaO MgO SiO2 CoO2 CoO
¸p suÊt,
MPa
NhiÖt ®é,
0
C
UCI Mü C-73-3-02 0,6 2,4 1,4 5 4,9÷15 375÷475

19. C-73-3-01 0,5÷0,8 2÷3 0,7÷1,2 <0,4 9,8÷98 400÷590
ZCI Anh
35-4 0,8 2,5 2,0 0,3 0,4 14,7÷58,8 350÷550
35-8 1 3,2 2,5 0,4 0,5 9,8÷58,8 350÷550
BASF
§øc
S6-10 0,54 2,9 2,8 0,32 0,35 9,8÷58,8 380÷530
Topsoe KM-1 0,66 2,85 3,27 0,28 0,78 9,8÷98 380÷550
Calasa C.16.3.5 0,8÷2 2,5÷3,5 2÷2,5 0,1÷0,4 0,2÷0,6 0,5÷2,5 9,8÷29,4 350÷500
Trung
Quèc
A110-1 0,6÷0,8 2,2÷2,6 1,4÷1,8 ≤0,4 30 370÷550
VÒ mÆt thµnh phÇn vµ c¸c th«ng sè nãi trªn, ®Òu lµ d¹ng ban ®Çu, tríc khi
®a vµo sö dông ta chuyÓn s¾t tõ d¹ng oxit sang d¹ng α-Fe, d¹ng xóc t¸c ho¹t
tÝnh.
VÒ mÆt ho¸ häc thùc hiÖn ph¶n øng víi mét ®iÒu kiÖn khèng chÕ nghiªm
ngÆt, gi÷a dßng khÝ H2 hoÆc N2+3H2.
Fe3O4 (r¾n) + 4H2(khÝ) 3Fe (r¾n) + 4H2O (h¬i)
VÒ mÆt ®Þnh tÝnh , cã thÓ lu ý : qu¸ tr×nh hoµn nguyªn lµ qu¸ tr×nh thu
nhiÖt , ph¶n øng hai chiÒu t¨ng nhiÖt ®é cã lîi cho ph¶n øng - t¨ng tèc ®é sinh
thµnh α-Fe; song ngîc l¹i H2O víi hµm lîng lín cã thÓ chuyÓn α-Fe trë thµnh
Fe3O4 . V× vËy ta cÇn ®iÒu chØnh tû lÖ H2O / H2 thÝch hîp, qua tèc ®é lu lîng dßng
khÝ.
• C¸c lo¹i xóc t¸c kh¸c lµm t¨ng hiÖu qu¶ tæng hîp amoniac
NhiÒu n¨m gÇn ®©y, sö dông ruthemin nh mét lo¹i xóc t¸c míi nhÊt. ¦u
thÕ cña xóc t¸c ruthemin ë chç ho¹t tÝnh cao nªn lîng xóc t¸c dïng Ýt, ¸p suÊt
lµm viÖc thÊp, nhiÖt ®é cao, ®é bÒn vµ tuæi thä ®¹t yªu cÇu, nhÊt lµ khi t×m ®îc
chÊt mang tèt nh chÊt mang graphit (h·ng Kellogg); gèm (h·ng Topsoe) [2] .
Mét hÖ xóc t¸c míi [21] gåm Ba ®îc ho¹t ho¸ b»ng Ru trªn chÊt mang
MgO cã thÓ lµm t¨ng hiÖu qu¶ tæng hîp so víi nh÷ng lo¹i xóc t¸c hiÖn ®ang ®îc
sö dông trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt amoniac. Xóc t¸c Ba-Ru/MgO chØ ®ßi hái ¸p
suÊt b»ng mét nöa ¸p suÊt cÇn cã khi sö dông xóc t¸c Fe th«ng thêng, xóc t¸c
nµy cã ®é æn ®Þnh cao vµ ®îc xem lµ lo¹i xóc t¸c tæng hîp amoniac thÕ hÖ míi .
II.4. VÊn ®Ò c©n b»ng láng h¬i trong hÖ
S¶n phÈm sau ph¶n øng lµ mét hçn hîp khÝ H2, N2, khÝ tr¬ vµ NH3. Do ®Æc
®iÓm vËn tèc cña ph¶n øng, nång ®é trong khÝ s¶n phÈm ®Òu thÊp, kho¶ng
16÷20%. CÇn dùa vµo lµm l¹nh ®Ó t¸ch NH3 ngng tô díi d¹ng láng. PhÇn nit¬,
hydro cha ph¶n øng quay tuÇn hoµn trë l¹i th¸p tæng hîp [2].

20. Nång ®é NH3 ë tr¹ng th¸i c©n b»ng 3NHx (tÝnh theo % thÓ tÝch) thay ®æi
theo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. TÝnh theo c«ng thøc cña A.Mikhel :
t273
1288,1168
P2,10
56799,6
3591,2lg
3NHx
+
=+=
trong ®ã : P lµ ¸p suÊt , MPa.
t lµ nhiÖt ®é , 0C
II.5. øng dông cña amoniac
Amoniac ®îc dïng[16] lµm nhiªn liÖu tªn löa, c«ng nghiÖp ho¸ häc, c«ng
nghiÖp thc phÈm , gia c«ng kim lo¹i. §îc dïng tæng hîp h÷u c¬ polime, sîi, dîc
liÖu, thuèc nhuém. Dïng lµm chÊt lµm l¹nh.
Amoniac ®îc dïng lµm chÊt b¶o vÖ m«i trêng t¸ch SO2 vµ NOx , dïng lµm
thuèc næ. §iÒu chÕ c¸c muèi amoni, CaCN2, NaNO3, nitil kim lo¹i, amit kim
lo¹i, nit¬ kim lo¹i. Dïng tæng hîp ph©n bãn [16].
Ch¬ng III
C«ng nghÖ tæng hîp amoniac
Ngµy nay, c¸c nguyªn lý tæng hîp NH3 cña Haber vµ Bosch [21] tõ N2 vµ
H2 trªn xóc t¸c s¾t vÉn kh«ng thay ®æi. §Ó n©ng cao hiÖu qu¶ kinh tÕ vµ c«ng
suÊt cña nhµ m¸y, c«ng nghÖ s¶n xuÊt NH3 kh«ng ngõng ®îc hoµn thiÖn .
III.1. §iÒu kiÖn c«ng nghÖ
HiÖn nay, dùa vµo ¸p suÊt [1] cña d©y chuyÒn thêng chia lµm 3 lo¹i:
- Qu¸ tr×nh tæng hîp ¸p suÊt thÊp 10÷15 MPa
- Qu¸ tr×nh tæng hîp ¸p suÊt trung b×nh 25÷50 MPa
- Qu¸ tr×nh tæng hîp ¸p suÊt cao 60÷100 MPa
Tuú lo¹i xóc t¸c kh¸c nhau, qu¸ tr×nh tæng hîp cã thÓ kh¸c nhau . Song cã
1 sè ®Æc ®iÓm chung [2] :
- VÒ nhiÖt ®é: Ph¶n øng tæng hîp lµ ph¶n øng trong hÖ kh«ng ®ång nhÊt,
khÝ r¾n, hai chiÒu vµ to¶ nhiÖt .
- VÒ gi¸ trÞ miÒn nhiÖt ®é lµm viÖc: Tuú lo¹i xóc t¸c sö dông. §Ó ®¶m
b¶o nhiÖt ®é lµm viÖc quanh miÒn tèi u, sö dông lo¹i thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt néi bé
hoÆc trung gian. PhÇn thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt trung gian hoÆc dïng h×nh thøc gi¸n
tiÕp, hoÆc trùc tiÕp b»ng c¸ch truyÒn nhiÖt tõ chÊt t¶i nhiÖt l¹nh qua thµnh èng

21. cña thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt hoÆc bæ xung khÝ nguyªn liÖu l¹nh (120 ÷1500C ) vµo
gi÷a 2 ®o¹n cña ph¶n øng xóc t¸c .
Do thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt néi bé cã nhîc ®iÓm lµ tiÕt diÖn chøa xóc t¸c qu¸
nhá so víi tiÕt diÖn lä ®ùng xóc t¸c nªn lîng xóc t¸c bÞ h¹n chÕ; n¨ng suÊt thiÕt
bÞ qu¸ thÊp; kh«ng hîp víi d©y chuyÒn cã s¶n lîng lín. HiÖn hÇu hÕt chuyÓn
thµnh thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt trung gian .
- VÒ thµnh phÇn khÝ nguyªn liÖu: Qu¸ tr×nh tæng hîp NH3 dßng khÝ ®a
vµo th¸p bao gåm hai phÇn: khÝ nguyªn liÖu tõ c«ng ®o¹n chÕ t¹o khÝ nguyªn
liÖu sang víi tû lÖ H2/N2 kho¶ng 3/1 ; 0,5% khÝ tr¬ (CH4 , Ar) vµ khÝ s¶n phÈm
cña qu¸ tr×nh tæng hîp sau khi ®· t¸ch phÇn lín NH3 . Gäi chung lµ khÝ tuÇn
hoµn. ¶nh hëng ®Õn tèc ®é ph¶n øng chñ yÕu cã hai lo¹i khÝ: mét lµ hçn hîp H2
vµ N2 vµ mét lµ khÝ tr¬ .
Víi H2 vµ N2 ®¬ng nhiªn nång ®é cµng cao cµng cã lîi cho ph¶n øng kÓ c¶
t¨ng tèc ®é ph¶n øng vµ chuyÓn dÞch c©n b»ng .
Víi khÝ tr¬, do dßng khÝ ®i tuÇn hoµn nªn nång ®é khÝ tr¬ t¨ng dÇn trong
dßng tuÇn hoµn. Hµm lîng khÝ tr¬ t¨ng, t¬ng tù gi¶m ¸p suÊt reieng phÇn cÊu tö
kh¸c, do vËy tèc ®é ph¶n øng, c©n b»ng ph¶n øng bÞ gi¶m t¬ng øng víi møc
gi¶m do ¸p suÊt tæng hîp h¹ thÊp g©y nªn .
HiÖn nay thêng gi÷ hµm lîng khÝ tr¬ trong khÝ tuÇn hoµn chõng 8÷12%
(tæng CH4 vµ Ar). Nh vËy dßng khÝ nguyªn liÖu cã thµnh phÇn : 8÷12% khÝ tr¬,
3% NH3 cßn l¹i lµ hçn hîp H2/N2 víi tû lÖ 3/1 .
- VÒ ¸p suÊt: ¸p suÊt lµm chuyÓn dÞch c©n b»ng, lµm t¨ng tèc ®é ph¶n
øng thuËn còng nh gi¶m tèc ®é ph¶n øng nghÞch, t¹o ®iÒu kiÖn dÔ dµng cho ph©n
t¸ch NH3 s¶n phÈm khái dßng khÝ tuÇn hoµn; cêng ®é s¶n xuÊt cña thiÕt bÞ lín,
hiÖu øng nhiÖt lín, ... . H¹n chÕ duy nhÊt cña ¸p suÊt lµ ®Çu t cho thiÕt bÞ trong
d©y chuyÒn, møc ®é khã kh¨n ®èi víi yªu cÇu thiÕt bÞ. V× vËy tuú t×nh h×nh kinh
tÕ kü thuËt cña ®Êt níc ®Ó chän ¸p suÊt lµm viÖc .
HiÖn nay, xuÊt ph¸t tõ kh¶ n¨ng chÕ t¹o xóc t¸c ho¹t tÝnh cao, cã kh¶ n¨ng
lµm viÖc ë nhiÖt ®é thÊp, thªm n÷a kh¶ n¨ng chÕ t¹o vµ sö dông lo¹i m¸y nÐn
tu«c bin lµm viÖc ë ¸p suÊt cao vµ vèn cã hiÖu suÊt cao, ®Èy m¹nh xu thÕ tæng
hîp ¸p suÊt thÊp .
III.2. Mét sè s¬ ®å tæng hîp ®iÓn h×nh
1. NÕu khÝ míi hoµn toµn kh«ng cã c¸c chÊt g©y ngé ®éc xóc t¸c nh níc,
CO2 , cã thÓ trùc tiÕp ®a vµo thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ (h×nh III.1a). Sau khi khÝ ra khái
thiÕt bÞ tæng hîp, NH3 ®îc ngng tô b»ng c¸ch lµm l¹nh vµ khÝ tuÇn hoµn ®îc ®a

22. vµo m¸y nÐn tuÇn hoµn. S¬ ®å nµy ®¹i diÖn cho sù s¾p xÕp thÝch hîp nhÊt theo
quan ®iÓm n¨ng lîng cùc tiÓu. KÕt qu¶ lµ NH3 thÊp nhÊt ë ®Çu vµo vµ cao nhÊt
cho ngng tô[1] .
¦u ®iÓm : ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n .
Nhîc ®iÓm : HiÖu suÊt chuyÓn ho¸ toµn bé qu¸ tr×nh thÊp.
H×nh III.1. C¸c s¬ ®å tæng hîp amoniac
1. ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ NH3 cã bé phËn trao ®æi nhiÖt ; 2. Thu håi NH3 b»ng lµm l¹nh
vµ ngng tô ; 3. Thu håi NH3 b»ng ngng tô ë nhiÖt ®é m«i trêng ; 4. M¸y nÐn khÝ tæng
hîp ; 5. M¸y nÐn khÝ tuÇn hoµn.
2. Khi khÝ nguyªn liÖu míi chøa nhiÒu níc hoÆc CO2 th× cÇn ph¶i hÊp thô
hoµn toµn nhê ngng tô NH3 . §iÒu nµy yªu cÇu giai ®o¹n ngng tô ®îc ®Æt mét
phÇn hoÆc toµn bé gi÷a ®Çu ®a khÝ míi vµo vµ thiÕt bÞ chuyÓn ho¸. Sù s¾p xÕp
nµy cã bÊt lîi lµ nång ®é NH3 gi¶m xuèng do hoµ tan vµo khÝ míi. Ngoµi ra ë
nhiÖt ®é ngng tô t¬ng øng nång ®é NH3 c©n b»ng ë ®Çu vµo cao h¬n thiÕt bÞ
chuyÓn ho¸. H×nh III.1b lµ s¬ ®å ®¬n gi¶n nhÊt. S¬ ®å nµy cã bÊt lîi lµ NH3 s¶n
xuÊt ra ë pha khÝ ph¶i ®îc nÐn cïng khÝ tuÇn hoµn trong m¸y nÐn tuÇn hoµn[1] .
¦u ®iÓm: HiÖu qu¶ qu¸ tr×nh lµm l¹nh cao h¬n nªn kh¶ n¨ng thu håi
amoniac lín h¬n .
Nhîc ®iÓm: N¨ng lîng cÇn thiÕt cho lµm l¹nh qu¸ lín .
3. Trong s¬ ®å h×nh III.1c thêng sö dông m¸y nÐn lo¹i 4 kú víi sù bè trÝ
nh vËy, thùc hiÖn nÐn tuÇn hoµn ngay sau khi ngng tô vµ t¸ch NH3. Cã thÓ sö
KhÝ nguyªn liÖu
KhÝ th¶i
KhÝ nguyªn liÖu
KhÝ th¶i
(c)
NH3
1
NH3
4 5
1
2
4 5
(a)
(d)
1NH3
1
2
KhÝ nguyªn liÖu
KhÝ th¶i
NH34 5
KhÝ nguyªn liÖu
KhÝ th¶i
4 5
(b)
2
2
3

23. dông níc hoÆc kh«ng khÝ lµm l¹nh khÝ tuÇn hoµn ngay tríc khi trén víi khÝ míi,
v× thÕ gi¶m ®îc tiªu hao n¨ng lîng cho lµm l¹nh[1] .
¦u ®iÓm: Tiªu hao n¨ng lîng thÊp .
Nhîc ®iÓm: ThiÕt bÞ phøc t¹p .
4. Chia lµm l¹nh thµnh 2 bËc cho ngng tô NH3 sÏ cã lîi khi khÝ tuÇn hoµn
®îc nÐn cïng víi khÝ míi. Qu¸ tr×nh nµy ®îc sö dông ®Æc biÖt lµ víi ¸p suÊt tæng
hîp lín h¬n 25 MPa. ë ¸p suÊt nµy phÇn lín NH3 t¹o thµnh cã thÓ ®îc ho¸ láng
nhê lµm l¹nh b»ng níc hoÆc kh«ng khÝ nh s¬ ®å h×nh III.1d . S¬ ®å (d) so víi (b)
th× thu håi nhiÖt triÖt ®Ó h¬n[1] .
III.3. C¸c d©y chuyÒn c«ng nghÖ s¶n xuÊt amoniac
III.3.1. C«ng nghÖ ¸p suÊt cao
S¬ ®å c«ng nghÖ [6], [15] ®îc m« t¶ trªn h×nh III.2. Nguyªn lý lµm viÖc
nh sau :
KhÝ tù nhiªn vµ h¬i níc ®îc dÉn vµo thiÕt bÞ reforming h¬i níc. T¹i ®©y
khÝ tù nhiªn vµ h¬i níc ph¶n øng víi nhau t¹o thµnh H2, CO vµ CO2. V× ph¶n
øng hÊp thô mét lîng nhiÖt rÊt lín, ®Ó thùc hiÖn ph¶n øng, ph¶i ®èt nãng èng xóc
t¸c lªn nhiÖt ®é rÊt cao b»ng nhiÖt lîng bªn ngoµi. DÉn khÝ nµy tíi èng xóc t¸c
cña thiÕt bÞ reforming thø cÊp .
Sau ®ã, khÝ tæng hîp ®îc ®a ®i qua thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ CO ®Ó chuyÓn hãa
CO vµ H2O thµnh H2 vµ CO2 trªn 1 lo¹i xóc t¸c kh¸c. CO2 ®îc hÊp thô t¸i sinh ë
thiÕt bÞ chøa chÊt hÊp thô láng. §Ó xóc t¸c khái ngé ®éc, ngêi ta xö lý vÕt CO
trong èng metan ho¸.
KhÝ tæng hîp ®· lµm s¹ch ®îc nÐn vµo th¸p tæng hîp. V× ph¶n øng x¶y ra
ë ¸p suÊt cao vµ nhiÖt ®é cao nªn ph¶i nÐn khÝ tæng hîp tõ ¸p suÊt võa ph¶i ( 37÷
40 atm) lªn ¸p suÊt cao (195÷320 atm), n©ng nhiÖt ®é lªn 4500C, sau ®ã dÉn ®Õn
th¸p tæng hîp ¸p suÊt cao xóc t¸c s¾t. KhÝ nãng ra khái th¸p ph¶n øng ®îc lµm
l¹nh ®Ó ngng tô NH3. KhÝ cha chuyÓn hãa ®îc nÐn trë l¹i th¸p tæng hîp .

24. H×nh III.2. S¬ ®å c«ng nghÖ cña h·ng Kellogg
1.M¸y nÐn ; 2.ThiÕt bÞ t¸ch S ; 3.Reforming s¬ cÊp ; 4.ThiÕt bÞ ®un s«i phô trî ; 5.Trao
®æi nhiÖt ; 6.èng khãi ; 7.Reforming thø cÊp ; 8.ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt ; 9.Nåi h¬i ;
10.ChuyÓn ho¸ CO nhiÖt ®é cao ; 11.ChuyÓn ho¸ CO nhiÖt ®é thÊp ; 12.Th¸p metan
ho¸ ; 13.Th¸p hÊp thô CO2 ; 14.Th¸p t¸ch ; 15.ThiÕt bÞ thu håi CO2 ; 16.Th¸p tæng
hîp amoniac ; 17.ThiÕt bÞ t¸ch amoniac ; 18.Thïng chøa amoniac ; 19.ThiÕt bÞ thu
håi amoniac .
III.3.2. C«ng nghÖ ¸p suÊt trung b×nh
C«ng nghÖ tæng hîp amoniac cña h·ng Krupp Uhde[17] lµ c«ng nghÖ s¶n
xuÊt amoniac tõ khÝ tù nhiªn, khÝ ho¸ láng hay naphta. NÕu söa ®æi c¸c thiÕt bÞ
®Çu- cuèi mét c¸ch thÝch hîp th× còng cã thÓ sö dông c¸c nguyªn liÖu
hydrocacbon kh¸c nh: than, dÇu, c¸c lo¹i b· hoÆc khÝ metanol s¹ch .
Theo quy tr×nh c«ng nghÖ Krupp Uhde, tæng hîp amoniac ®îc thùc hiÖn
trong thiÕt bÞ ¸p suÊt trung b×nh. Nhng ph¬ng ph¸p nµy ®îc tèi u ho¸ ®Ó gi¶m
tiªu thô n¨ng lîng vµ t¨ng ®é æn ®Þnh vËn hµnh. S¬ ®å c«ng nghÖ ®îc m« t¶ trªn
h×nh III.3 .
Amoniac
KhÝ tù nhiªn
Kh«ng khÝ
H¬i níc
1
2
19
18
16
3
4
5
6
17
8
7
9
10
11 12 13
14
15
CO2
CO2
H¬i níc cao ¸p
Nguyªn liÖu
BFW
Kh«ng khÝ
Kh«ng khÝ ch¸y
Lµm l¹nh
CO2
chuyÓn
ho¸
Amoniac láng
BFW
BFW
Nhiªn liÖu
H¬i níc

25. 6 1
2
3
4
5
H×nh III.3. C«ng nghÖ tæng hîp amoniac cña h·ng Krupp Uhde
1.Reforming s¬ cÊp ; 2.Reforming thø cÊp ; 3.ChuyÓn ho¸ CO nhiÖt ®é thÊp ;
4.ChuyÓn ho¸ CO nhiÖt ®é cao ; 5.Th¸p tæng hîp amoniac ; 6.Th¸p t¸ch S .
KhÝ tù nhiªn ®îc t¸ch lu huúnh, phèi trén víi h¬i níc vµ ®îc chuyÓn ho¸
thµnh khÝ tæng hîp nhê xóc t¸c niken ë ¸p suÊt kho¶ng 40 bar vµ nhiÖt ®é 800 ÷
8500C. ThiÕt bÞ reforming s¬ cÊp cña Krupp Uhde lµ thiÕt bÞ ®èt ë phÇn trªn, cã
c¸c èng ®îc lµm b»ng thÐp hîp kim vµ hÖ thèng èng x¶ l¹nh ®Ó n©ng ®é æn ®Þnh
vËn hµnh .
Trong thiÕt bÞ reforming thø cÊp, kh«ng khÝ ®îc ®a vµo cïng khÝ tæng hîp
qua hÖ thèng vßi phun dÆt biÖt, cho phÐp phèi trén hoµn h¶o hçn hîp kh«ng khÝ
vµ khÝ tæng hîp. C«ng ®o¹n t¹o h¬i níc vµ ®un qu¸ nhiÖt tiÕp theo ®¶m b¶o sö
dông tèi ®a nhiÖt n¨ng cña quy tr×nh ®Ó ®¹t hiÖu qu¶ n¨ng lîng tèi u .
KhÝ CO ®îc chuyÓn ho¸ thµnh CO2 trong thiÕt bÞ chuyÓn hãa nhiÖt ®é cao
vµ nhiÖt ®é thÊp. KhÝ CO2 ®îc lo¹i bá ë thiÕt bÞ röa khÝ, CO2 d ®îc chuyÓn hãa
thµnh metan. Chu tr×nh tæng hîp amoniac sö dông hai thiÕt bÞ chuyÓn hãa
amoniac víi ba tÇng xóc t¸c .
Amoniac láng ngng tô vµ ®îc t¸ch ra khái chu tr×nh tæng hîp, sau ®ã ®îc
lµm l¹nh tiÕp xuèng díi nhiÖt ®é ngng tô vµ ®a vµo bÓ chøa .

26. III.3.3. C«ng nghÖ tæng hîp amoniac ¸p suÊt thÊp
III.3.3.1. C«ng nghÖ cña h·ng Haldor Topsoe ( §an M¹ch )
C«ng nghÖ Haldor Topsoe [15], [17], [18], [22] lµ c«ng nghÖ s¶n xuÊt
amoniac cã møc tiªu hao n¨ng lîng thÊp, ®i tõ c¸c lo¹i nguyªn liÖu hy®rocacbon
kh¸c nhau, tõ khÝ tù nhiªn ®Õn naphta nÆng. S¬ ®å c«ng nghÖ ®îc m« t¶ trªn h×nh
III.4.
Dßng khÝ nguyªn liÖu ®îc nÐn qua th¸p t¸ch lu huúnh, sau ®ã ®îc phèi
trén víi h¬i níc vµ ®îc chuyÓn hãa thµnh khÝ tæng hîp trong thiÕt bÞ reforming
h¬i níc. ThiÕt bÞ reforming bao gåm mét thiÕt bÞ reforming s¬ bé (®©y lµ thiÕt bÞ
tuú chän, nhng ®Æt biÖt cã Ých khi sö dông nguyªn liÖu hydrocacbon cao,
naphta), mét thiÕt bÞ reforming èng ®èt vµ mét thiÕt bÞ reforming thø cÊp. Sau
c«ng ®o¹n reforming, khÝ tæng hîp sÏ qua qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ nhiÖt ®é cao vµ
nhiÖt ®é thÊp , qu¸ tr×nh t¸ch CO2 vµ metan ho¸
KhÝ tæng hîp ®îc nÐn tíi ¸p suÊt kho¶ng 140÷220 kg/cm2, sau ®ã ®îc
chuyÓn hãa thµnh amoniac trong chu tr×nh tæng hîp nhê c¸c thiÐt bÞ tæng hîp víi
thiÕt kÕ dßng ch¶y xuyªn t©m. C¸c thiÕt bÞ nµy cã thÓ lµ thiÕt bÞ hai tÇng ®Öm xóc
t¸c S –200, thiÕt bÞ ba tÇng ®Öm xóc t¸c S-300, hoÆc thiÕt bÞ S -250 (víi thiÕt bÞ
chuyÓn hãa S -200, tiÕp theo lµ nåi h¬i hay thiÕt bÞ ®un qu¸ nhiÖt h¬i níc vµ thiÕt
bÞ chuyÓn hãa mét tÇng ®Öm xóc t¸c S -50 ). S¶n phÈm amoniac ®îc ngng tô vµ
t¸ch b»ng c¸ch lµm l¹nh .
H×nh III.4. S¬ ®å c«ng nghÖ cña h·ng Haldor Topsoe
1.ThiÕt bÞ hydro ho¸ ; 2.ThiÕt bÞ t¸ch lu huúnh ; 3.Reforming s¬ cÊp ; 4.Reforming thø
cÊp ; 5.ChuyÓn ho¸ CO nhiÖt ®é thÊp ; 6.ChuyÓn ho¸ CO nhiÖt ®é cao ; 7.Th¸p tæng
Metan ho¸Amoniac
CO2 chuyÓn ho¸
KhÝ th¶i
Kh«ng khÝ
KhÝ tù nhiªn
H¬i níc
11*
12*
21
3
4 5 6
13
9
7
10
8

27. hîp amoniac S - 200 ; 8.ThiÕt bÞ ph©n ly ; 9.M¸y nÐn ; 10.ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt ;
11*
.Reforming s¬ bé ; 12*
.ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ S – 50; 13. Th¸p metan ho¸ . ( * c¸c
thiÕt bÞ kh«ng b¾t buéc ) .
III.3.3.2. C«ng nghÖ cña h·ng Linde AG
Theo Linde AG [17] m« t¶ th× qu¸ tr×nh nµy s¶n xuÊt amoniac tõ
hydrocacbon thÊp. Qu¸ tr×nh nµy ®¬n gi¶n. S¬ ®å c«ng nghÖ ®îc m« t¶ trªn h×nh
III.5 .
H×nh III.5. S¬ ®å c«ng nghÖ cña h·ng Linde AG
1. ThiÕt bÞ t¸ch lu huúnh ; 2.Bé phËn ®un nãng ; 3.ThiÕt bÞ reforming ; 4.ThiÕt bÞ trao
®æi nhiÖt ; 5.ThiÕt bÞ chuyÓn hãa CO ; 6. ThiÕt bÞ lµm l¹nh ; 7.ThiÕt bÞ hót khÝ ; 8.M¸y
nÐn ; 9.ThiÕt bÞ tæng hîp amoniac ; 10.ThiÕt bÞ ph©n ly ; 11.ThiÕt bÞ ho¸ láng kh«ng
khÝ; 12.ThiÕt bÞ ngng tô ; 13.ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ CO2 ; 14.èng khãi .
Nguyªn liÖu sau khi ®îc ®un nãng th× ®îc t¸ch lu huúnh ë thiÕt bÞ (1). H¬i
níc ®îc t¹o ra tõ phÇn ngng trong qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ ®¼ng nhiÖt ë thiÕt bÞ (5),
cho vµo víi tû lÖ 2,7. Nguyªn liÖu vµo thiÕt bÞ reforming tiÕp tôc ®un nãng ë
thiÕt bÞ (2); ë thiÕt bÞ (3) nhiÖt ®é lµ 8500C .
KhÝ tæng hîp ®îc ®a vµo thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt (4), nhiÖt ®é lóc nµy xuèng
cßn 2500C. CO ®îc chuyÓn ho¸ trong thiÕt bÞ (5). Sau khi khÝ ®îc ®a ®i vµ ®îc
hót ë thiÕt bÞ (7). PhÇn nÆng ®îc lÊy nh»m dÔ kiÓm so¸t diÔn biÕn sù gi¶m ¸p vµ
lµm s¹ch tõng bíc. Nit¬ ®îc t¹o ra tõ qu¸ tr×nh ho¸ láng kh«ng khÝ ë thiÕt bÞ
Nhiªn liÖu
Kh«ng
khÝ
Nguyªn liÖu
BFW
Kh«ng khÝ
Amoniac
14 2
3
4
5 6
7
13
8
10
12
11
1
9

28. (11). Nit¬ sau khi ®îc nÐn th× trén víi hydro t¹o khÝ tæng hîp ®Ó tæng hîp
amoniac. KhÝ tæng hîp ®îc nÐn tríc khi vµo thiÕt bÞ tæng hîp amoniac díi mét
¸p suÊt nhÊt ®Þnh ë m¸y nÐn (8). Cßn phÇn khÝ cha chuyÓn ho¸ ®îc tuÇn hoµn trë
l¹i .
Amoniac tuÇn hoµn lµ baz¬ cña qu¸ tr×nh Casale (qu¸ tr×nh sö dông s¾t
oxit lµm xóc t¸c ®Ó xóc tiÕn sù tæng hîp amoniac tõ nit¬ vµ hydro) ®îc chuyÓn
ho¸ trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt. S¶n phÈm amoniac ®îc lµm l¹nh xuèng -350C ë
thiÕt bÞ (13) råi cho vµo thïng chøa .
III.3.3.3. C«ng nghÖ cña h·ng Kellogg Brown & Root, Inc
C«ng nghÖ [17] nµy s¶n xuÊt amoniac tõ nguån nguyªn liÖu lµ
hydrocacbon vµ kh«ng khÝ. S¬ ®å m« t¶ trªn h×nh III.6 . §iÓm næi bËt cña c«ng
nghÖ nµy lµ sö dông qu¸ tr×nh reforming s¬ cÊp vµ thø cÊp víi kh«ng khÝ d, khÝ
tæng hîp ®îc tinh chÕ ë nhiÖt ®é thÊp. Tæng hîp amoniac trong thiÕt bÞ chuyÓn
ho¸ n»m ngang.
H×nh III.6. C«ng nghÖ cña h·ng Kellogg Brown & Root , Inc
1. Reforming s¬ cÊp ; 2. Reforming thø cÊp ; 3. Tuèc bin ; 4. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt ;
5. ChuyÓn hãa CO nhiÖt ®é cao ; 6. ChuyÓn hãa CO nhiÖt ®é thÊp ; 7. ThiÕt bÞ
chuyÓn ho¸ CO2 ; 8. ThiÕt bÞ metan ho¸ ; 9.ThiÕt bÞ ph©n ly ; 10. ThiÕt bÞ sÊy khÝ ;
11. ThiÕt bÞ lµm l¹nh khÝ ; 12. M¸y nÐn ; 13. Th¸p tæng hîp NH3 ; 14. ThiÕt bÞ ph©n ly ;
15. ThiÕt bÞ t¸ch níc
T¸ch lu huúnh trong nguyªn liÖu b»ng ph¶n øng víi h¬i níc ë thiÕt bÞ
reforming s¬ cÊp, nhiÖt ®é lµ 7000C. Hçn hîp tõ thiÕt bÞ reforming s¬ cÊp tiÕp
tôc ph¶n øng víi kh«ng khÝ d trong thiÕt bÞ reforming thø cÊp, nhiÖt ®é lµ 9000C.
Tuabin (3) t¸ch phÇn nguyªn liÖu kh«ng cã Ých tíi thiÕt bÞ reforming s¬ cÊp vµ sö
dông ®Ó ®un nãng kh«ng khÝ ®èt .
Kh«ng
khÝ
H¬i níc
Nguyªn liÖu
3
1 2
5 6
4
7
8
9
10 13
11
12
14
15
NH3

29. ë thiÕt bÞ reforming thø cÊp, khÝ tæng hîp ®îc lµm l¹nh t¹o ra ¸p suÊt h¬i
cao trong thiÕt bÞ (4). KhÝ tæng hîp tiÕp tôc ®îc chuyÓn ho¸ CO thµnh CO2 trªn
xóc t¸c ë thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ nhiÖt ®é cao (5) vµ chuyÓn ho¸ nhiÖt ®é thÊp (6).
TiÕp theo CO2, CO d chóng ®îc chuyÓn ho¸ metan trong thiÕt bÞ (8). KhÝ tæng
hîp ®îc t¸ch níc trong thiÕt bÞ (9) tríc khi ®îc sÊy kh« ë thiÕt bÞ (10)
KhÝ tæng hîp sau khi ®îc lµm s¹ch th× ®îc nÐn ë thiÕt bÞ (12), trén víi h¬i
tuÇn hoµn l¹i vµ ®a sang th¸p tæng hîp amoniac (13) lo¹i n»m ngang. T¹i th¸p
tæng hîp amoniac hçn hîp ®îc lµm l¹nh bëi t¸c nh©n lµm l¹nh lµ NH3. S¶n phÈm
NH3 ®em ph©n ly ë thiÕt bÞ (14) phÇn kh«ng ph¶n øng víi khÝ tæng hîp . PhÇn
kh«ng ph¶n øng nµy ®îc tuÇn hoµn l¹i m¸y nÐn khÝ tæng hîp ban ®Çu .

30. Ch¬ng IV
Lùa chän vµ giíi thiÖu c«ng nghÖ
IV.1. Lùa chän c«ng nghÖ
C«ng nghÖ tæng hîp amoniac hiÖn nay gåm cã: c«ng nghÖ ¸p suÊt thÊp,
c«ng nghÖ ¸p suÊt trung b×nh, c«ng nghÖ ¸p suÊt cao .
C«ng nghÖ ¸p suÊt cao th× chÕ t¹o thiÕt bÞ khã kh¨n, tèn n¨ng lîng, thêi
gian sö dông xóc t¸c thÊp. C«ng nghÖ ¸p suÊt trung b×nh sö dông Ýt n¨ng lîng
h¬n, ph¬ng ph¸p nµy sö dông réng r·i vµo thËp kû 70 thÕ kû tríc. Song víi
nh÷ng u ®iÓm: c«ng nghÖ ®¬n gi¶n, gi¸ thµnh kh«ng cao, l¹i tËn dông nhiÖt triÖt
®Ó nªn gi¸ thµnh s¶n phÈm kh«ng lín. Cho nªn c«ng nghÖ ¸p suÊt thÊp ®îc sö
dông nhiÒu h¬n .
V× vËy , ®å ¸n nµy em chän c«ng nghÖ ¸p suÊt thÊp cña h·ng Haldol
Topsoe. C«ng nghÖ nµy cã møc tiªu hao n¨ng lîng thÊp vµ ®îc sö dông réng r·i
ë c¸c níc trªn thÕ gíi .
IV.2. GIíi thiÖu c«ng nghÖ
IV.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña d©y chuyÒn
Qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac tõ khÝ tù nhiªn ®îc thùc hiÖn ë ¸p suÊt thÊp.
S¬ ®å c«ng nghÖ dîc thÓ hiÖn trªn h×nh IV.1. C«ng nghÖ ®îc thùc hiÖn bao gåm
hai giai ®o¹n :
Giai ®o¹n 1 : ChuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn thµnh khÝ tæng hîp b»ng qu¸ trinh
tæ hîp.
Giai ®o¹n 2 : ChuyÓn ho¸ khÝ tæng hîp thµnh amoniac.
Dßng khÝ nguyªn liÖu ®îc nÐn qua th¸p hydro ho¸ (1) vµ th¸p t¸ch lu
huúnh (2) t¹i ®©y c¸c hîp chÊt lu huúnh h÷u c¬ ®îc chuyÓn ho¸ thµnh H2S b»ng
xóc t¸c hydro hãa. Sau ®ã H2S ®îc hÊp thô b»ng oxit kÏm. Hçn hîp khÝ sau khi
®· t¸ch S ®îc ®un nãng lªn kho¶ng 5350C. Sau ®ã hçn hîp h¬i níc/khÝ tù nhiªn
®îc dÉn vµo c¸c èng th¼ng ®øng chøa xóc t¸c cña thiÕt bÞ reforming s¬ cÊp (3).
Hydrocacbon trong khÝ nguyªn liÖu vµo thiÕt bÞ reforming s¬ cÊp ®îc chuyÓn
ho¸ thµnh hydro vµ cacbon oxit. Trong kho¶ng kh«ng gian trèng phÝa trªn cña
reforming thø cÊp (4) kh«ng khÝ trén mét phÇn vµo dßng khÝ c«ng nghÖ, ë ®©y
chñ yÕu x¶y ra ph¶n øng ch¸y, kÕt qu¶ lµ nhiÖt ®é t¨ng lªn. Tõ kho¶ng kh«ng
gian nµy, khÝ c«ng nghÖ ®i qua líp xóc t¸c phÝa díi, mµ ë ®ã ph¶n øng reforming

31. x¶y ra hoµn toµn. NhiÖt ®é hçn hîp khÝ ra khái reforming thø cÊp vµo kho¶ng
9580C.
KhÝ tæng hîp tiÕp tôc ®îc chuyÓn ho¸ CO thµnh CO2 gåm hai bíc chuyÓn
ho¸ : chuyÓn ho¸ nhiÖt ®é cao ë th¸p (5), chuyÓn ho¸ nhiÖt ®é thÊp ë th¸p(6).
ChuyÓn hãa CO ®îc thùc hiÖn qua hai bíc ®Ó ®¶m b¶o lîng d CO thÊp vµ h×nh
thµnh s¶n phÈm phô Ýt. . KhÝ sau khi chuyÓn ho¸ CO ®îc tiÕp tôc t¸ch CO2, hÖ
thèng t¸ch CO2 ®îc dùa trªn qu¸ tr×nh MDEA ho¹t hãa hai cÊp (c«ng nghÖ cña
BASF) hÖ thèng bao gåm mét th¸p hÊp thô CO2(10), mét th¸p gi¶i hÊp (7) vµ
mét thiÕt bÞ t¸ch (9). TiÕp theo dßng hçn hîp khÝ tiÕp tôc qua c«ng ®o¹n metan
hãa dÓ t¸ch triÖt ®Ó CO2.
KhÝ tæng hîp ®· ®îc tinh chÕ tõ c«ng ®o¹n metan hãa ®îc nÐn ®Õn ¸p suÊt
kho¶ng 132barg tríc khi nã ®i vµo th¸p tæng hîp amoniac. Th¸p tæng hîp lµm
viÖc ë ¸p suÊt 136 at nhiÖt ®é 3000C, t¹i ®©y khÝ tæng hîp ®îc chuyÓn ho¸ thµnh
NH3 . S¶n phÈm thu ®îc gåm NH3 vµ c¸c khÝ kh¸c qua thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng níc
h¹ nhiÖt ®é xuèng cßn -50C vµ ®a tíi thiÕt bÞ ph©n ly NH3, amoniac láng ®îc t¸ch
ra vµ ®a vµo bÓ chøa.
IV.2.2. C¸c qu¸ tr×nh trong d©y chuyÒn
IV.2.2.1. Qu¸ tr×nh t¸ch lu huúnh trong nguyªn liÖu
- Qu¸ tr×nh khö lu huúnh
+ Hydro ho¸
T¸ch lu huúnh tríc ®©y sö dông xóc t¸c lµ Co-Mo cho ph¶n øng hydro
ho¸.
(CH)4S + 4H2 C4H10 + H2S
COS + H2 CO + H2S
Tõ c¸c ph¶n øng trªn ta thÊy ph¶n øng hydro ho¸ c¸c hîp chÊt chøa S, th×
xóc t¸c ®· lµm no c¸c hydrocacbon. KhÝ hydro tham gia hydro hãa ®îc tuÇn
hoµn tõ c«ng ®o¹n sau. CO vµ CO2 cÇn ph¶i lo¹i bá khái khÝ hydro ho¸. NÕu cã
mÆt CO, CO2 th× x¶y ra ph¶n øng :
CO2 + H2 CO + H2O
CO2 + H2S COS + H2O
Sù cã mÆt cña CO, CO2 vµ H2O lµm ¶nh hëng ®Õn qu¸ tr×nh t¸ch S. V× nÕu
chøa hµm lîng CO lín cã thÓ x¶y ra ph¶n øng:
2CO C + CO2
Ph¶n øng nµy x¶y ra th× C sÏ l¾ng ®äng trªn bÒ mÆt xóc t¸c, lµm gi¶m ho¹t
tÝnh xóc t¸c. Nång ®é lín nhÊt cã thÓ cho phÐp c¸c t¹p chÊt trong khÝ nguyªn

32. liÖu ®Õn thiÕt bÞ hydro ho¸ lµ : H2O: 3÷4% (% thÓ tÝch) ; CO:5% (% thÓ tÝch) ;
CO2 :5% (% thÓ tÝch).
Tuú thuéc vµo nång ®é cña H2 mµ xóc t¸c cña qu¸ tr×nh hydro ho¸ cã thÓ
lµm viÖc ë nhiÖt ®é tõ 3300C ÷ 3600C.
+ HÊp thô H2S
Qu¸ tr×nh khö H2S ®îc thùc hiÖn trong hai b×nh hÊp thô S nèi tiÕp nhau vµ
hoµn toµn gièng nhau. Mçi b×nh cã 1 líp xóc t¸c HTZ-3. Xóc t¸c HTZ-3 lµ lo¹i
xóc t¸c ZnO cã kÝch thíc 4mm , lµm viÖc ë nhiÖt ®é 4000C, chøa hµm lîng >
99% ZnO.
ZnO ph¶n øng víi H2S vµ COS theo ph¶n øng :
ZnO + H2S ZnS + H2O
ZnO + COS ZnS + CO2
IV.2.2.2. Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn b»ng reforming h¬i níc
Qu¸ tr×nh reforming h¬i níc cña c¸c hydrocacbon x¶y ra theo c¸c ph¶n
øng sau :
CnHm + H2O Cn-1Hm-2 + CO + 2H2 (1)
CH4 + H2O CO + 3H2 (2)
CO + H2O CO2 + H2 (3)
Ph¶n øng (1) x¶y ra víi c¸c hydrocacbon cao h¬n, phÇn lín x¶y ra theo
ph¶n øng (2). Ph¶n øng b¾t ®Çu 5000C cho c¸c hydrocacbon cao vµ 6000C cho
metan.
Chñ yÕu nhiÖt cña ph¶n øng trong reforming s¬ cÊp, vµ reforming thø cÊp
®îc cung cÊp theo 2 híng kh¸c nhau. Reforming s¬ cÊp th× nhiÖt ®îc cung cÊp
gi¸n tiÕp bëi qu¸ tr×nh ®èt ch¸y . Cßn reforming thø cÊp , nhiÖt ®îc lÊy tõ sù
ch¸y cña khÝ tæng hîp tõ qu¸ tr×nh reforming s¬ cÊp víi kh«ng khÝ. Reforming
thø cÊp nh»m t¹o hçn hîp nit¬ - hydro theo tû H2/N2 lµ 3/1 .
ë thiÕt bÞ reforming s¬ cÊp, c¸c èng xóc t¸c ®îc s¾p xÕp thµnh hµng vµ ®-
îc ®èt b»ng c¸c bÐt ®èt. KhÝ tù nhiªn ®îc trén víi h¬i níc vµ ®un nãng s¬ bé ë
nhiÖt ®é 5350C . Hçn hîp khÝ tù nhiªn vµ h¬i níc sau ®ã ®i vµo c¸c èng tõ trªn
xuèng , trong èng ®· chøa ®Çy xóc t¸c. Qu¸ tr×nh reforming s¬ cÊp x¶y ra ë ¸p
suÊt P = 35 bar, t0= 5350C víi xóc t¸c Ni .
Kh«ng khÝ
S¶n phÈm khÝ
reforming s¬ cÊp
KhÝ tæng hîp

33. H×nh IV.1
(a) cÊu t¹o bªn trong thiÕt bÞ reforming s¬ cÊp(têng ®èt).
(b) bÐt ®èt.
(c) thiÕt bÞ reforming thø cÊp.
ë thiÕt bÞ reforming thø cÊp: qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn ë
reforming s¬ cÊp cha hoµn toµn, vËy khi ®îc ®a tíi reforming thø cÊp hçn hîp
khÝ nµy ®îc trén víi kh«ng khÝ x¶y ra ph¶n øng ch¸y, kÕt qu¶ nhiÖt ®é reforming
thø cÊp t¨ng lªn. ¸p suÊt cña qu¸ tr×nh kho¶ng 31,5 bar, nhiÖt ®é 9580C, xóc t¸c
Ni ®Ó chuyÓn hÕt hydrocacbon thµnh CO, CO2 . Víi nång ®é kho¶ng 13,26% mol
CO; 7,52% CO2 .
IV.2.2.3. Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ CO
Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ CO ®îc thùc hiÖn qua hai bíc: chuyÓn ho¸ nhiÖt ®é
thÊp vµ chuyÓn ho¸ nhiÖt ®é cao nh»m ®¶m b¶o lîng d CO thÊp vµ h×nh thµnh
s¶n phÈm phô Ýt.
CO + H2O CO2 + H2
- ChuyÓn ho¸ ë nhiÖt ®é cao: Qu¸ tr×nh thùc hiÖn ë ¸p suÊt kho¶ng 31 bar,
nhiÖt ®é 3600C, sö dông xóc t¸c lµ hçn hîp crom oxit ®îc t¨ng cêng oxit s¾t díi
d¹ng h¹t dêng kÝnh 6 mm, cao 6 mm.
- ChuyÓn ho¸ ë nhiÖt ®é thÊp: ChuyÓn ho¸ tiÕp CO thµnh CO2 gi¶m nhiÖt
®é xuèng t = 1900C , P = 30 bar. ChuyÓn ho¸ nhiÖt ®é thÊp cã hai líp xóc t¸c
nhau : líp ®Çu tiªn lµ xóc t¸c cr«m LSK cã t¸c dông nh líp b¶o vÖ chèng clo,
phÇn lín lµ líp xóc t¸c cña c¸c oxit ZnO, Cr2O3 hay Al2O3 vµ nã cã ho¹t tÝnh cao
h¬n. CO2 sau khi ra khái thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ CO cã hµm lîng kho¶ng 18,2% mol
.
IV.2.2.4. Qu¸ tr×nh t¸ch CO2
HÊp thô CO2 b»ng aMDEA (c«ng nghÖ cña BASF), CO2 hoµ tan trong
40% MDEA ®ãng vai trß nh mét chÊt ho¹t hãa qu¸ tr×nh hÊp phô, chøa 5% chÊt
chèng t¹o bät, chÊt nµy gióp t¨ng tèc ®é truyÒn khèi cña CO2 tõ pha khÝ sang pha
láng. PhÇn cßn l¹i lµ dung dÞch níc. Qu¸ tr×nh lµm viÖc ë t = 720C , P = 28 bar .
C¸c ph¶n øng x¶y ra nh sau :
R3N + H2O + CO2 R3NH+ + HCO3
-
(a) (b)
(c)

34. 2R2NH + CO2 R2NH2
+ + R2N-COO-
Sau qu¸ tr×nh t¸ch th× CO2 cã hµm lîng < 500 ppm
V.2.2.5. Qu¸ tr×nh metan ho¸
Bíc tinh chÕ khÝ cuèi cïng tríc khi vµo th¸p tæng hîp lµ metan ho¸, lµ qu¸
tr×nh mµ c¸c lo¹i cacbon oxit d sÏ ®îc chuyÓn ho¸ thµnh metan. Qu¸ tr×nh metan
ho¸ x¶y ra trong thiÕt bÞ (11) vµ c¸c ph¶n øng liªn quan lµ ph¶n øng ngîc cña
reforming.
CO + 3H2 CH4 + H2O
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
B×nh metan ho¸ cã mét líp xóc t¸c niken chøa kho¶ng 27% niken. KhÝ
c«ng nghÖ t th¸p hÊp thô CO2 ®îc gia nhiÖt ®Õn kho¶ng 3000C khi chóng qua bé
trao ®æi nhiÖt. KhÝ ra khái thiÕ bÞ metan ho¸ thong thêng bÐ h¬n 10 ppm CO +
CO2 , nhiÖt ®é t¨ng qua líp xóc t¸c t¬ng øng nhiÖt ®é ®Çu ra kho¶ng 3200C. KhÝ
sau khi tinh chÕ chøa N2, H2 víi 1 tû lÖ khÝ tr¬ Ar vµ CH4 kho¶ng 1,3%. Tû lÖ cña
H2 : N2= 3 :1 .
IV.2.3. ThiÕt bÞ ph¶n øng chÝnh
Th¸p tæng hîp lµ thiÕt bÞ quan träng nhÊt trong toµn bé hÖ thèng tæng hîp
NH3. CÊu t¹o th¸p cÇn v÷ng ch¾c, ®¶m b¶o lµm viÖc l©u dµi, kh«ng nguy hiÓm .
Kim lo¹i dïng ®Ó chÕ t¹o th¸p cÇn cã yªu cÇu ®é bÒn cao, nÕu kh«ng H2 vµ NH3
chøa trong hçn hîp khÝ ë nhiÖt ®é cao sÏ cã t¸c dông víi kim lo¹i lµm gi¶m
phÈm chÊt cña nã, ®Æc biÖt víi thÐp kh«ng cacbon hãa [1] .
Th¸p ®îc ®Æt th¼ng ®øng, phÇn trªn vµ phÇn díi th¸p ®îc nèi víi nhau bëi
ghi thÐp vµ mÆt bÝch. S¬ ®å [16] th¸p tæng hîp cña h·ng Topsoe ®îc m« t¶ trªn
h×nh IV.2.
Hçn hîp khÝ nguyªn liÖu nit¬ vµ hydro ®îc trén víi tû lÖ 1:3 ®i theo ®êng
èng (A) tõ phÝa díi lªn cña thiÕt bÞ tæng hîp xen vµo gi÷a th©n thiÕt bÞ vµ dá xóc
t¸c, ®iÒu nµy gióp lµm l¹nh vá ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é thiÕt kÕ cña dá ®îc gi¶m ®i.
Trªn ®Ønh th¸p tæng hîp, hçn hîp khÝ ®i vµo èng vµ trao ®æi nhiÖt ë thiÕt bÞ (2),
n¬i mµ khÝ ®i vµo ®îc gia nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é ph¶n øng cña líp xóc t¸c thø nhÊt
bëi qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt víi khÝ rêi khái líp xóc t¸c thø nhÊt. KhÝ rêi khái líp
xóc t¸c thø nhÊt ®îc lµm l¹nh nhê ®i qua phÇn vá cña bé trao ®æi nhiÖt gi÷a c¸c
líp xóc t¸c tríc khi chóng ®îc dÉn ®Õn líp xóc t¸c thø hai. Sau khi qua líp xóc
t¸c thø hai, amoniac thu ®îc, ®îc dÉn theo ®êng èng (C) ra ngoµi ®Ó ho¸ láng
NH3 .

35. Trong trêng hîp nhiÖt ®é líp xóc t¸c t¨ng qu¸ cao ta më ®êng èng (B) ®Ó
®a hçn hîp khÝ nit¬ vµ hydro nguéi tõ díi th¼ng qua èng trung t©m vµ ®i vµo líp
xóc t¸c. Thêi gian sö dông xóc t¸c trong th¸p tuú thuéc vµo ®é s¹ch cña khÝ, th-
êng lµ 2 n¨m. §Ó t¨ng cêng thêi gian sö dông cña xóc t¸c cã thÓ dïng thªm líp
xóc t¸c ®Ó t¨ng cêng viÖc läc s¹ch khÝ khái c¸c t¹p chÊt CO, CO2, O2 . Trong th¸p
xóc t¸c bæ xung nµy cã thÓ dïng lo¹i xóc t¸c Ni-Cr ë nhiÖt ®é 300 ÷ 3500C , t¹i
®ã sÏ x¶y ra c¸c ph¶n øng [1] :
CO + 3H2 CH4 + H2O
CO2 + 4H2O CH4 + 2H2O
O2 + 2H2 2H2O
H¬i níc h×nh thµnh sÏ t¸ch ra ë th¸p ngng tô b»ng níc .
PhÇn II
TÝnh to¸n c«ng nghÖ
Ch¬ng V
TÝnh c©n b»ng vËt chÊt
V.1. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt cho thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ khÝ
tù nhiªn
V.1.1. C¸c sè liÖu ban ®Çu
- Gi¶ sö chän n¨ng suÊt thiÕt bÞ lµ 7000m3 khÝ / h
- Thµnh phÇn khÝ tù nhiªn
CÊu tö % ThÓ tÝch §é chuyÓn ho¸ %
CH4 98 98,5
7
6
5
4
3
2
1
AA
C
B
Vá ¸p suÊt
ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt
Líp xóc t¸c thø nhÊt
Ghi ®ì
Ræ c¸ch ly
Líp xóc t¸c thø hai
èng dÉn khÝ lµm l¹nh
KhÝ tæng hîp vµo
KhÝ lµm l¹nh vµo
KhÝ ®· ph¶n øng
H×nh IV.2. Th¸p tæng hîp amoniac cña Topsoe S –
200 .

36. N2 2
Tæng 100
- Thµnh phÇn oxy kü thuËt [18]
CÊu tö % ThÓ tÝch
O2 20,99
CO2 0,03
N2 78,04
Ar 0,94
- NhiÖt ®é hçn hîp h¬i vµ khÝ tù nhiªn vµo thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ lµ: 5350C.
- NhiÖt ®é oxy kü thuËt 5500C
- NhiÖt ®é hçn hîp khÝ ra khái qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ 9580C
- ¸p suÊt hçn hîp khÝ ra khái qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ 30 bar
- Tû lÖ oxi: metan lµ 0,1: 1
- Tû lÖ h¬i: khÝ tù nhiªn lµ 3: 1
V.1.2. Lîng khÝ vµo
Lîng khÝ tù nhiªn vµo
ThÓ tÝch riªng phÇn cña c¸c cÊu tö ®îc tÝnh theo c«ng thøc:
Vi = Ci. Vktn , m3/h
trong ®ã : Vi: lîng cÊu tö i trong khÝ tù nhiªn, m3/h
Ci: phÇn thÓ tÝch cña cÊu tö i trong khÝ tù nhiªn, %
Vktn: n¨ng suÊt hÖ thèng thiÕt bÞ, m3/h
Thay sè vµo ta ®îc:
)h/m(6860
100
7000.98
V.CV 3
ktnCHCH 44
===
)h/m(140
100
7000.2
V.CV 3
ktnNN 22
===
Lîng oxy kü thuËt
)h/m(,V.CV 3
ktOO 22
=
MÆt kh¸c : do tû lÖ oxy: metan = 0,1 : 1 nªn
)h/m(6866860.1,0V.1,0V 3
CHO 42
===
Do ®ã:
Vkt = )h/m(2229,3268
99,20
100.686 3
=
)h/m(5212,2550
100
229,3268.04,78
V.CV 3
ktNN 22
===

37. )h/m(98,0
100
2229,3268.03,0
V.CV 3
ktCOCO 22
===
VAr= CAr. Vkt = )h/m(7213,30
100
2229,3268.94,0 3
=
Lîng h¬i níc ®a vµo
210007000.3V.3V.CV ktnktnO2HO2H ==== (m3/h)
V.1.3. lîng khÝ ra
Lîng khÝ ra ®îc tÝnh theo c«ng thøc
V'i = Vktn ( 1- Kiktn ) , m3/h
trong ®ã : V'i : lîng cÊu tö i ®i ra , m3/ h
Ki : ®é chuyÓn ho¸ cña cÊu tö i
Ta cã: )h/m(9,102)985,01(6860)K1(V'V 3
CHCHCH 444
=−=−=
)h/m(5212,26905212,2550140VV'V 3
ktNktnNN 222
=+=+=
KhÝ tæng hîp ®i ra sau qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ gåm cã H2, CO, CO2, H2O cã
thÓ tÝch lÇn lît lµ O2H2COCO2H 'V,'V,'V,'V .
Gäi x, y, z, t lÇn lît lµ thÓ tÝch cña OHHCO2CO 22
'V,'V,'V,'V .
Ta cã:
* C©n b»ng cacbon
CO2CO4CH2CO4CH 'V'V'VVV ++=+
4CH2CO4CH2COCO 'VVV'V'V −+=+⇒
08,6758yx =+⇔
* C©n b»ng oxy
( )
98,11186)ty(5,0x
V5,0VV'V'V5,0'V
'V5,0'V'V5,0V5,0VV
O2Hkt2Okt2COO2HCO2CO
O2H2COCOO2Hkt2Okt2CO
=++⇔
++=++⇒
++=++
* C©n b»ng hydro
2HO2H4CHO2H4CH 'V'V'V2VV2 ++=+
4CHO2H4CH2HO2H 'V2VV2'V'V −+=+⇒
2,34514tz =+⇔

38. * ThÓ tÝch khÝ sinh ra cã quan hÖ víi nhau ®îc biÓu diÔn bëi c«ng thøc
h»ng sè c©n b»ng pha cña ph¶n øng sau:
CO + H2O CO2 + H2
Suy ra : KP =
O2HCO
2H2CO
P.P
P.P
§èi víi khÝ bÊt kú : Pi =
V
V.P i
trong ®ã: Pi(Vi) lµ ¸p suÊt (thÓ tÝch) riªng phÇn cña hÖ
P (V) lµ ¸p suÊt (thÓ tÝch) cña hÖ
Thay c¸c Pi vµo KP ta ®îc:
KP =
O2HCO
2H2CO
O2HCO
2H2CO
'V.'V
'V.'V
V
'V
.P.
V
'V
.P
V
'V
.P.
V
'V
.P
=
O2HCOP2H2CO 'V.'V.K'V.'V =⇔
Thay x. z = KP. y. t
§Ó x¸c ®Þnh KP ta ¸p dông c«ng thøc [1]:
lgKP = 3,2T.10.4617,7T.10.5426,2T10.1588,5
T
24,2203 311275
−−++ −−−
ë T = 958 + 273 = 12130K , ta cã : lg KP = - 0,2006 → KP = 0,63008
Suy ra : x.z = 0,63008. y. t
VËy ta cã hÖ ph¬ng tr×nh sau:







=
=+
=++
=+
t.y.63008,0z.x
2,34514tz
98,11186)ty(5,0x
08,6758yx
Gi¶i hÖ ph¬ng tr×nh trªn ta ®îc:







==
==
==
==
)h/m(2168,13644'Vt
)h/m(9832,20869'Vz
)h/m(4168,4786'Vy
)h/m(6632,1971'Vx
3
O2H
3
2H
3
CO
3
2CO
* C©n b»ng vËt chÊt theo khèi lîng
Tải bản FULL (file word 79 trang): bit.ly/3kwYdzV
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

39. Ta cã :
4,22
V
=ρ kg/m3
B¶ng V.3. Khèi lîng ph©n tö vµ khèi lîng riªng cña khÝ [1]
CÊu tö M ρ (kg/m3
)
CH4 16,043 0,7162
O2 32,00 1,4286
H2O 18,015 0,8042
N2 28,016 1,2506
CO2 44,01 1,9647
CO 28,014 1,2505
Ar 39,948 1,7834
H2 2,0158 0,0899
+ Lîng khÝ vµo
)h/kg(132,49137162,0.6860.VG 4CH4CH4CH ==ρ=
)h/kg(084,1752506,1.140.VG 2Nktn2Nktn2N ==ρ=
)h/kg(6818,31892506,1.5212,2550G
)h/kg(0196,9804286,1.686G
)h/kg(2,168888042,0.21000G
kt2N
2O
O2H
==
==
==
)h/kg(7884,547834,1.7213,30G
)h/kg(9254,19647,1.98,0G
Ar
kt2CO
==
==
+ Lîng khÝ ra:
)h/kg(4142,59852505,1.4168,4786'G
)h/kg(7267,38739647,1.6632,1971'G
)h/kg(7884,54'G
)h/kg(7658,33642506,1.5212,2690'G
)h/kg(6969,737162,0.9,102.'V'G
CO
2CO
Ar
2N
4CH4CH4CH
==
==
=
==
==ρ=
)h/kg(6792,109728042,0.2168,13644'G
)h/kg(2115,18760899,0.9832,20869'G
OH
H
2
2
==
==
B¶ng V.4. C©n b»ng vËt chÊt cña qu¸ tr×nh s¶n xuÊt khÝ tæng hîp
Lîng vµo Lîng ra
CÊu tö G (kg/h) CÊu tö G (kg/h)
CH4 4913,132 CH4 73,6969
N2 175,084 Ar 54,7884
H2O 16888,2 N2 3364,7658
Tải bản FULL (file word 79 trang): bit.ly/3kwYdzV
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

40. O2kt 980,0196 CO2 3873,7267
N2kt 3189,6818 CO 5985,4142
CO2kt 1,9254 H2 1876,2115
Ar 54,7884 H2O 10972,6792
Tæng 26202,8312 Tæng 26201,2827
 ChuyÓn vÒ ®iÒu kiÖn thùc tÕ ®Ó tÝnh to¸n
PV = zRT
Mµ ρ =
V
M
, suy ra :
zRT
MV
=ρ
trong ®ã : M : khèi lîng ph©n tö cña khÝ
P : ¸p suÊt , MPa
T : nhiÖt ®é , 0K
R : h»ng sè khÝ, R = 0,00831
HÖ sè hiÖu chØnh z [1] ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
z = 0,99 +
17,25T11,49T481,26
0681,0P
r
2
r
r
−+−
−
Víi: Tr =
cT
T
, Pr =
cP
P
Tc: nhiÖt ®é tíi h¹n, K
Pc: ¸p suÊt tíi h¹n, MPa
T: nhiÖt ®é cña hçn hîp khÝ nguyªn liÖu
P : ¸p suÊt ph¶n øng, P = 3MPa
B¶ng V.3 . Mét sè th«ng sè tÝnh to¸n
CÊu
tö
M Tc, 0
K
Pc,
MPa
808 0
K, 3 Mpa 1231 0
K, 3 MPa
Tr Pr z ρ Tr Pr z ρ
CH4 16,043 190,55 4,61 4,24 0,65 0,992 7,226 6,46 0,65 0,989 4,757
N2 28,016 126,26 3,40 6,39 0,882 0,989 12,657 9,749 0,882 0,9896 8,302
H2O 18,015 647,14 22,06 1,25 0,136 0,977 8,239 1,902 0,136 0,988 5,347
O2 32,000 154,59 5,04 5,23 0,595 0,989 14,456 7,963 0,595 0,9895 9,484
CO2 44,010 304,20 7,38 2,66 0,407 0,986 19,943 4,047 0,407 0,989 13,05
CO 28,0104 132,91 3,49 6,08 0,859 0,989 12,654 9,262 0,859 0,9896 8,3008
Ar 39,948 150,87 4,89 5,36 0,613 0,989 18,047 8,159 0,613 0,9894 11,84
H2 2,0158 32,97 1,30 24,51 2,308 0,9898 0,909 37,337 2,308 0,9899 0,597
Theo ®Þnh luËt b¶o toµn khèi lîng ta cã:
Khèi lîng ë ®iÒu kiÖn chuÈn = khèi lîng ë ®iÒu kiÖn thùc.
Gt = Vt. ρ (kg/h) → Vt =
ρ
tG
(m3/h)
3996675