Lò phản ứng công nghệ Amoniac là gì? Nguyên tắc, thiết kế và ứng dụng

Một lò phản ứng công nghệ amoniac là gì?

Trả lời câu hỏi chính:Một lò phản ứng công nghệ amoniac là gì, và quá trình tổng hợp Haber-Bosch làm thế nào để sản xuất amoniac từ nitơ và hydro?An ammonia technology reactor is a high-pressure catalytic synthesis vessel that converts nitrogen (N2) and hydrogen (H2) into ammonia (NH3) via the exothermic equilibrium reaction N2 + 3H2 <-> 2NH3 (delta-H_r = -92.4 kJ/mol ở 450C). Quá trình Haber-Bosch công nghiệp hoạt động ở 150-350 bar và 400-500C bằng cách sử dụng chất xúc tác sắt thúc đẩy (Fe với các chất xúc tác K2O và Al2O3,diện tích bề mặt 10-20 m2/g) hoặc chất xúc tác dựa trên ruthenium (Ru trên hỗ trợ carbon hoặc MgO, hoạt động cao hơn 2-5 lần). Chuyển đổi mỗi đường đi là 15-25% do giới hạn cân bằng nhiệt động học ở nhiệt độ cao cần thiết cho động học phản ứng chấp nhận được.amoniac được ngưng tụ và tách (ở -25C và 150 bar), và vòng tái chế đạt được chuyển đổi tổng thể trên 95%. sản xuất amoniac toàn cầu vượt quá 180 triệu tấn mỗi năm, tiêu thụ 28-35 GJ mỗi tấn NH3 (1-2% năng lượng thế giới).Công nghệ amoniac xanh đang nổi lên sử dụng hydro tái tạo (sản điện phân tích) và tổng hợp gió / năng lượng mặt trời để khử cacbon hóa phân bón và các ứng dụng lưu trữ năng lượng.

1Các nguyên tắc tổng hợp amoniac lõi và nhiệt động lực học

Thiết kế lò phản ứng công nghệ amoniac được điều chỉnh bởi ba nguyên tắc nhiệt động học và động học:

• Sự cân bằng nhiệt động học và hiệu ứng Le ChatelierPhản ứng tổng hợp amoniac N2 + 3H2 <-> 2NH3 là ngoại nhiệt (delta-H = -92,4 kJ / mol ở 450C) và dẫn đến 4 mol chất phản ứng tạo ra 2 mol sản phẩm.áp suất cao thay đổi sự cân bằng về phía amoniac (ít hơn mol khí), và nhiệt độ thấp thuận lợi cho phản ứng chuyển tiếp ngoại nhiệt. Ở 200 bar và 450C, nồng độ amoniac cân bằng khoảng 16% (tốc độ không gian 15.000 h-1).cân bằng đạt 25%Tuy nhiên, động học phản ứng yêu cầu tối thiểu 400-500C cho năng lượng kích hoạt xúc tác sắt (Ea = 170 kJ / mol cho phân ly N2 trên bề mặt Fe),tạo ra một căng thẳng cơ bản giữa cân bằng (T thấp) và động học (T cao) xác định cửa sổ hoạt động tối ưu.
• Cơ chế xúc tác và tác dụng thúc đẩyCác chất xúc tác sắt tăng cường gấp ba lần (magnetite Fe3O4 giảm thành alpha-Fe với K2O là chất thúc đẩy điện tử, Al2O3 là chất thúc đẩy cấu trúc,và CaO như là nhà thúc đẩy kết cấu) kích hoạt N2 thông qua hóa giải phân ly trên các mặt tinh thể Fe ((111)Bước quyết định tốc độ là hấp thụ phân ly N2 (Ea = 170 kJ / mol); sau đó hydro hóa N * thành NH * thành NH 2 * thành NH 3 * là nhanh chóng.Alumina ngăn chặn sắt nghiền tại 400-500C bằng cách tạo thành một rào cản spinel bề mặt, duy trì diện tích bề mặt 10-20 m2/g trong hơn 10 năm hoạt động.2-5 wt% Ru) cho thấy hoạt động cao hơn 2-5 lần ở áp suất thấp hơn (80-100 bar) nhưng chi phí cao hơn 100-1000 lần so với sắt, giới hạn sử dụng để nâng cấp quy trình Kellogg Braun KAAP.
• Thiết kế bộ chuyển đổi quản lý nhiệt và tắtPhản ứng ngoại nhiệt (-92,4 kJ / mol, tương đương với 2,7 GJ mỗi tấn NH3) phải được loại bỏ để duy trì nhiệt độ tối ưu.Kellogg Braun) tiêm khí tổng hợp lạnh (4H2:N2) giữa các giường xúc tác để hấp thụ nhiệt, với 3-4 giường và dập tắt giữa các giường đạt được chuyển đổi 12-18% mỗi lần đi qua; (2) chuyển đổi làm mát gián tiếp (Haldor Topsoe S-200,Casale) sử dụng bộ trao đổi nhiệt nội bộ giữa các giường để kiểm soát nhiệt độ, tạo ra hơi nước áp suất cao (100-120 bar, 480C) như một sản phẩm phụ có giá trị.ổ cắm 500-520C (nhiệt độ xúc tác tối đa); các giường tiếp theo ở nhiệt độ thấp hơn gần cân bằng.

2Các loại phản ứng công nghệ amoniac chính

Các lò phản ứng tổng hợp amoniac công nghiệp được phân loại theo mô hình dòng chảy nội bộ và phương pháp làm mát:

• Máy chuyển đổi dập trục (Kellogg Braun)Khí tổng hợp chảy xuống qua 3-4 giường xúc tác (mỗi giường cao 1-2 m, tổng số chất xúc tác 60-80 m3 cho mỗi bộ chuyển đổi) với tiêm khí tắt giữa các giường.Kích thước hạt xúc tác 6-10 mm (đối với giảm áp suất thấp), ~ 0,5 MPa trên mỗi giường). Chuyển đổi mỗi đường đi 12-16%, tổng thể với vòng tái chế 98%.Thiết kế dập tắt đơn giản hơn và rẻ hơn làm mát gián tiếp nhưng chuyển đổi thấp hơn mỗi lần điTiêu chuẩn trong các nhà máy phân bón quy mô lớn (1.000-3.000 t / ngày NH3 mỗi bộ chuyển đổi).
• Chuyển đổi làm mát gián tiếp dòng chảy quang (Haldor Topsoe S-200)Khí chảy theo đường tâm xuyên qua các lớp xúc tác mỏng (0,3-0,6 m độ dày) từ trung tâm đến vòng tròn bên ngoài, cho phép các hạt xúc tác nhỏ (1,5-3 mm) giảm áp suất thấp (<0,3 MPa) do diện tích lưu lượng lớn.Máy trao đổi nhiệt nội bộ giữa các giường tạo ra hơi nước 100-120 bar và kiểm soát nhiệt độ đầu ra giường lên 480-500C. Chuyển đổi mỗi đường 18-22%, cao hơn so với thiết kế dập tắt.Kích thước hạt nhỏ hơn làm tăng yếu tố hiệu quả xúc tác từ 0.3 (10 mm) đến 0,8 (3 mm), làm giảm khối lượng xúc tác cần thiết bằng 40%.
• Ruthenium Catalyst Converter (KAAP, Kellogg Advanced Ammonia Process)Sử dụng chất xúc tác Ru/MgO hoặc Ru/carbon hoạt tính (2-5 wt% Ru) ở áp suất thấp hơn (80-100 bar) và 350-450C.Hoạt động nội tại cao hơn của chất xúc tác Ru (2-5 lần Fe) bù đắp cho áp suất thấp kém hơn về nhiệt động lực. Chuyển đổi mỗi đường đi 12-18% ở 90 bar.000 t/ngày) để giảm năng lượng nén 25-30% (nước áp thấp hơn = năng lượng máy nén khí tổng hợp ít hơn). Tổng tiêu thụ năng lượng: 25-28 GJ / t NH3 (so với 33-35 GJ / t cho Fe thông thường ở 150-200 bar). Chi phí vốn cao hơn do giá xúc tác Ru ($ 50-100 / g Ru so với 2-5 / kg xúc tác Fe).

Các loại lò phản ứng công nghệ amoniac

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q: Quá trình Haber-Bosch là gì và tại sao nó đòi hỏi áp suất cao?

A: Quá trình Haber-Bosch tổng hợp amoniac từ nitơ và hydro (N2 + 3H2 -> 2NH3, delta-H = -92.4 kJ / mol ở 450C).Áp suất cao (150-350 bar) là cần thiết vì phản ứng tạo ra ít mol khí hơn (4 mol chất phản ứng -> 2 mol sản phẩm), do đó theo nguyên tắc của Le Chatelier, áp suất cao di chuyển cân bằng về phía amoniac. ở 200 bar và 450C, nồng độ amoniac cân bằng là khoảng 16%; ở 350 bar, 25%. Tuy nhiên,động học phản ứng đòi hỏi 400-500C cho năng lượng kích hoạt xúc tác sắt (Ea = 170 kJ/mol cho phân ly N2 trên Fe), tạo ra một căng thẳng giữa cân bằng (T thấp) và động học (T cao) xác định cửa sổ hoạt động.

Q: Thành phần của chất xúc tác sắt được sử dụng trong tổng hợp amoniac là gì?

A: Chất xúc tác tổng hợp amoniac tiêu chuẩn là magnetite tăng cường ba lần (Fe3O4) giảm in situ thành alpha-Fe. Thành phần: 80-90% Fe (như Fe3O4 trước khi giảm), 2-4% K2O (động viên điện tử,tăng mật độ electron trên bề mặt Fe, tăng cường nồng độ hóa học N2), 2-5% Al2O3 (hỗ trợ cấu trúc, ngăn chặn Fe ngưng tụ ở 400-520C bằng cách tạo ra rào cản spinel bề mặt, duy trì diện tích bề mặt 10-20 m2/g trong hơn 10 năm),và 1-3% CaO (hỗ trợ kết cấu, làm tăng khối lượng lỗ chân lông). chất xúc tác được chuẩn bị bằng cách hòa tan oxit sắt với các chất thúc đẩy ở nhiệt độ 1500C, nghiền nát và lọc thành các hạt 1,5-10 mm,và giảm bằng khí tổng hợp (H2 + N2) trong khi khởi động trong 50-100 giờ.

Hỏi: Amoniac xanh là gì và nó khác với sản xuất amoniac thông thường như thế nào?

A: Amoniac xanh được sản xuất bằng cách sử dụng hydro tái tạo (từ điện phân nước bằng năng lượng gió / mặt trời / thủy điện) thay vì hydro có nguồn gốc hóa thạch (từ khí đốt tự nhiên cải tạo hơi nước).Amoniac xám thông thường phát thải 1.8-2.5 t CO2 mỗi t NH3 (SMR + Haber-Bosch). amoniac xanh làm giảm lượng khí thải gần bằng không (chỉ có N2 từ không khí, không có CO2 từ sản xuất hydro).Công nghệ lò phản ứng tổng hợp là tương tự (Fe hoặc Ru xúc tác, 80-350 bar, 400-500C), nhưng mặt trước khác nhau: điện phân (PEM hoặc kiềm, 1-5 MW mỗi t / d NH3) thay thế SMR, và một đơn vị tách không khí (cái chưng cất lạnh hoặc PSA) cung cấp N2.Amoniac xanh là mục tiêu cho: khử cacbon hóa phân bón, chất mang hydro (NH3 có 17,6% trọng lượng H2, lỏng ở -33C hoặc 8,6 bar) và nhiên liệu biển (máy động cơ chạy bằng amoniac, không CO2).

Hỏi: Tại sao chuyển đổi mỗi lần trong tổng hợp amoniac chỉ 15-25% và làm thế nào để chuyển đổi tổng thể đạt được?

A: Chuyển đổi mỗi lần đi được giới hạn ở mức 15-25% vì sự cân bằng nhiệt động lực ở 400-500C (cần thiết cho động học xúc tác) không ủng hộ chuyển đổi hoàn toàn.cân bằng nồng độ amoniac là chỉ 16%Để đạt được chuyển đổi tổng thể trên 95%, vòng lặp tổng hợp amoniac sử dụng: (1) một hệ thống tái chế khí chuyển N2 + H2 không phản ứng trở lại cửa vào lò phản ứng sau khi loại bỏ amoniac,(2) một bước ngưng tụ amoniac trong đó nước thải lò phản ứng được làm mát đến -25C ở 150 bar (hoặc làm mát bằng nước ở > 200 bar), ngưng tụ 80-90% amoniac được sản xuất và (3) một luồng thanh lọc (5-10% tái chế) để ngăn chặn sự tích tụ các khí trơ (Ar, CH4) từ nguồn cung cấp khí tổng hợp.Máy nén tái chế xử lý 4-6x dòng chảy thức ăn tươi.