Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 MỞ ĐẦU Amoniac là một trong những hợp chất hoá học có ý nghĩa đặc biệt trong quan trọng ngành công nghiệp hoá học vì nó có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế: Trong công nghiệp sản xuất phân bón, Amoniac dùng để sản xuất ra các loại đạm, đảm bảo sự ổn định và cung cấp đạm cho việc phát triển phát triển nông nghiệp. Góp phần bảo đảm an ninh lƣơng thực, thực hiện công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nƣớc. Trong công nghiệp thuốc nổ, Amôniac có vai trò quyết định trong việc sản xuất ra thuốc nổ. Từ NH3 có thể điều chế HNO3 để sản xuất các hợp chất nhƣ: 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 nhƣ cuprammonium rayon và nilon. Trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, NH3 đƣợc 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 đƣợc sử dụng làm chất trung hòa để tránh sự ăn mòn trong các thiết bị ngƣng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt, của quá trình chƣng cất. NH3 dùng để trung hòa HCl tạo thành do quá trình phân hủy nƣớc 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 trƣớc khi đƣa vào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc tác đã sử dụng. NH3 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 đƣợc sấy khô và tạo hình. Trong công nghiệp sản xuất thuốc trị bệnh, NH3 là một chất độn quan trọng để sản xuất các dạng thuốc nhƣ sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine. Nó cũng đƣợc sử dụng để sản xuất các loại thuốc vitamin. Ngoài ra, NH3 còn đƣợc sử dụng trong lĩnh vực bảo vệ môi trƣờng để chuyển hoá SO2 và NOx từ khí ống khói. Dung dịch NH3 21% còn dùng làm SVTH: Võ Ngọc Đức Trang: 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 dung môi rất tốt. Amoniac tạo đƣợc các nitrua để tôi cứng bề mặt thép, sử dụng Amoniac làm tác nhân lạnh trong các thiết bị lạnh. Amoniac có nhiều ứng dụng trong thực tế nhƣ vậy cho nên đề tài “ Thiết kế phân xƣởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên” có ý nghĩa thực tế sâu sắc. Mục đích của đề tài là sử dụng nguồn nguyên liệu khí tự nhiên sẳn có ở nƣớc ta một cách có hiệu quả để sản xuất ra Amoniac làm chất hoá học trung gian phục vụ quá trình tổng hợp ra các sản phẩm có ích đáp ứng nhu cầu cho nền kinh tế quốc dân. Mặc khác đề tài còn đƣa ra một phƣơng hƣớng mới trong việc nâng cao giá trị sử dụng của nguồn nguyên liệu khí tự nhiên. Trong khuôn khổ đồ án này, em xin giới thiệu những tính toán cụ thể để thiết kế phân xƣởng sản xuất NH3 năng suất 200.000 tấn/năm. Nội dung đồ án gồm các phần sau: Phần I: Tổng quan lý thuyết. Phần II: Tính toán công nghệ. Phần III: Xây dựng. Phần IV: Tính toán kinh tế. Phần V: An toàn lao động. Tuy có rất nhiều cố gắng nhƣng đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, rất mong đƣợc sự góp ý của Thầy, Cô giáo và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2005 Sinh viên Võ Ngọc Đức SVTH: Võ Ngọc Đức Trang: 2 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT. CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ AMONIAC. I.1. Cấu tạo phân tử NH3. [14] NH3 có một nguyên tử nitơ và 3 nguyên tử hiđrô. Nguyên tử N có 7 electron ở lớp vỏ, tƣơng ứng với số điện tích hạt nhân của nó. Trong đó, một cặp electron ở trạng thái 1s, còn 5 electron kia phân bố vào 4 obitan với số lƣợng tử chính là 2. Trong 5 electron này thì có một cặp chiếm obitan 2s và 3 electron không cặp đôi phân bố ở 3 obitan 2Px, 2Py, 2Pz. Các electron không cặp đôi của N có thể kết hợp với electron 1s của nguyên tử H. Vì vậy ta có: :N. + . 3H .. H:.. H Nguyên tử N nằm trên một đỉnh của hình tứ diện nằm trên một phằng của 3 nguyên tử H, 3 nguyên tử H xếp theo 1 hình tam giác đều, góc liên kết H-N-H khoảng 107O. Mặc dù các liên kết N-H là những liên kết cộng hóa trị nhƣng chúng có phần giống nhƣ liên kết ion, tại vì ngyên tử N có độ âm điện lớn hơn H rất nhiều. Do sự phân cực hóa của các liên kết và cách sắp xếp bất đối của phân tử NH3 mà nó có một mômen lƣỡng cực khoảng 1,5 Debye. Vì phân tử NH3 có cùng cấu hình electron với nƣớc, góc hóa trị cũng tƣơng tự nhƣ nƣớc nên NH3 và H2O có nhiều tính chất giống nhau, đều là những chất nghịch từ. oH H o o H SVTH: Võ Ngọc Đức Trang: 3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 I.2. Tính chất vật lý:[14] Amôniac có công thức phân tử là NH3 là một khí không màu, nhẹ hơn không khí, và có mùi đặc trƣng. Bảng I.1. Các đặc trưng vật lý của NH3 Khối lƣợng phân tử Thể tích phân tử ( ở 0oC, 101,3 KPa) Tỉ trọng pha lỏng Tỉ trọng pha khí ÁP SUẤT TỚI HẠN NhiÖt ®é tíi h¹n TỈ TRỌNG TỚI HẠN Thể tích tới hạn ĐỘ DẪN NHIỆT TỚI HẠN 17,03 22,08 L/mol 0,6386 g/cm3 0,7714 g/l 11,28 MPA 132,4 0C 0,235 CM3/G 4,225 cm3/g 0,522 KJ.K-1. H-1. M-1 Đé nhít tíi h¹n ĐIỂM NÓNG CHẢY Nhiệt nóng chảy ÁP SUẤT HÓA HƠI 23,90. 10-3 mPa.s -77,71 0C 332,3 Kj/Kg 6,077 KPA ĐiÓm s«i -33,43 0C Nhiệt hóa hơi Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Entropi tiêu chuẩn Entanpi tạo thành tự do Giới hạn nổ Hỗn hợp NH3-O2(200C, 101,3KPa) Hỗn hợp NH3-KK(200C, 101,3KPa) Hỗn hợp NH3-KK(1000C, 101,3KPa) 1370 Kj/Kg -45,72 Kj/mol 192,731 J.mol-1.K-1 -16,391 Kj/mol 15 - 17 % V NH3 16 - 27 % V NH3 15,5- 28 % V NH3 I.3. Tính chất hóa học:[14],[15] NH3 có thể cộng thêm 1 ion để tạo ion phức NH4+ NH3 + H+ NH4+ NH4+ giống nhƣ các ion kim loại kiềm ở tính kiềm và thuộc tính tạo muối của nó. Các dung dịch ngậm nƣớc của NH3 phản ứng nhƣ một bazơ yếu, vì trong dung dịch nƣớc có quá trình: NH3 + H30+ NH4+ + OH- NH3 không cháy ở điều kiện thƣờng, nhƣng cháy với ngọn lửa màu vàng dƣới áp suất oxi. Điểm bốc cháy của hỗn hợp NH3-O2 là 7800C. Sản phẩm chính của quá trình cháy là N2 và H2O. SVTH: Võ Ngọc Đức Trang: 4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 4NH3 + 3O2 2 N2 + 6H2O Trong điều kiện thích hợp, hỗn hợp NH3- không khí sẽ phát nổ khi cháy. Hỗn hợp nổ của NH3 khô với không khí là 16-25 % V NH3. Giới hạn này đƣợc mở rộng khi trộn lẫn với các khí cháy nhƣ H2, trộn O2 hay không khí, ở nhiệt độ và áp suất cao hơn. Khí NH3 bị oxi hóa tạo H2O và N2 bởi nhiều hợp chất oxyt nhƣ CuO. Nếu dòng khí NH3 đƣợc chuyển qua CuO nung nóng thì có phản ứng: 3 CuO + 2NH3 3Cu + N2 + 3H2O Loại phản ứng này xảy ra khi NH3 đƣợc nung nóng tới nhiệt độ cao với oxyt của kim loại xác định vì lúc này liên kết trong oxy kém bền vững. Các chất oxy hóa nếu đủ mạnh sẽ xảy ra phản ứng tƣơng tự ở nhiệt độ thƣờng. Ví dụ với KMnO4. 2NH3 + 2KMnO4 2KOH + 2MnO2 + 2H2O + N2 Phản ứng giữa Cl2 với NH3 cũng có thể xem là phản ứng oxy hóa khử. 8NH3 + 3Cl2 N2 + 6NH4Cl NH3 có thể bị oxy hóa tạo NO khi ở trong hỗn hợp 100 % NH3 với không khí và có mặt của xúc tác ở nhiệt độ cao: 4NH3 + 5O2 Pt 4NO + 6H2O Ở nhiệt độ thƣờng NH3 là một khí bền vững. ở nhiệt độ cao nó bắt đầu phân hủy thành N2 và H2. Tốc độ quá trình phân hủy chịu ảnh hƣởng của bản chất NH3 với khí tạo thành trong khi tiếp xúc. Ở nhiệt độ thƣờng, NH3 có thể hòa tan K, Na nhƣng tốc độ chậm, có thể mất vài ngày. 2K + 2NH3 2KNH2 + H2 Amid kali 2Na + 2NH3 2NaNH2 + H2 Amid natri Liti amid cũng đƣợc tạo thành khi Li bị nung nóng trong dòng khí NH3 có mặt xúc tác Pt đen.  Khi nung NH3 cùng với một kim loại hoạt động nhƣ Mg thì nitrit (hợp chất cơ kim) sẽ tạo thành. 3Mg + 2NH3 Mg3N2 + 3H2 SVTH: Võ Ngọc Đức Trang: 5 ... - tailieumienphi.vn