Tổng hợp Ammonia (Amoniac) – Quy trình Haber–Bosch
Dây chuyền reforming, làm sạch khí, vòng tổng hợp và ammonia xanh 2026.
Amoniac (NH3) là nền tảng của ngành phân đạm (urê, ammonium nitrate…) và là một trong những hóa chất sản xuất nhiều nhất thế giới. Gần đây NH3 còn được xem là vật mang hydro và nhiên liệu không carbon tiềm năng. Quy trình kinh điển là Haber–Bosch: tổng hợp NH3 từ N2 (không khí) và H2 ở áp suất cao.
Hóa học
Phản ứng: N2 + 3H2 ⇌ 2NH3, tỏa nhiệt và giảm số mol — thuận lợi ở áp suất cao, nhiệt độ vừa phải về mặt cân bằng, nhưng tốc độ lại cần nhiệt độ đủ cao, nên thực tế là sự thỏa hiệp động học–nhiệt động. Chuyển hóa mỗi lượt thấp (~20–30%) nên khí phải tuần hoàn.
| Thông số | Dải điển hình | Ghi chú |
|---|---|---|
| Nhiệt độ | ~400–500 °C | Thỏa hiệp tốc độ/cân bằng |
| Áp suất | ~120–250 bar | Cao hơn → chuyển hóa cao hơn |
| Xúc tác | Sắt có xúc tiến (K2O, Al2O3, CaO) | Một số dùng Ru hiệu năng cao |
| Tỷ lệ H2:N2 | ~3:1 | Theo tỷ lệ phản ứng |
Chuẩn bị khí tổng hợp (front-end)
Đây là phần phức tạp và tốn năng lượng nhất của nhà máy NH3:
- Khử lưu huỳnh khí thiên nhiên (bảo vệ xúc tác).
- Reforming sơ cấp (SMR) tạo H2/CO; reforming thứ cấp bổ sung không khí để đưa N2 vào và hoàn tất chuyển hóa methane.
- Chuyển hóa CO (water-gas shift) hai cấp (nhiệt độ cao và thấp) để tối đa H2.
- Tách CO2 bằng dung dịch hấp thụ (amin/cacbonat nóng) — CO2 này thường dùng làm urê.
- Methane hóa khử vết CO/CO2 còn lại (các chất đầu độc xúc tác sắt).
Vòng tổng hợp
Khí tổng hợp tinh khiết được nén lên áp cao và đưa vào reactor xúc tác sắt (thường nhiều tầng, có làm lạnh giữa tầng để quản lý nhiệt). NH3 sản phẩm được ngưng tụ tách ra bằng làm lạnh; khí chưa phản ứng tuần hoàn, một dòng purge xả để khống chế khí trơ (Ar, CH4) — dòng purge này thường được thu hồi hydro.
Sự cố thường gặp và xử lý
- Ngộ độc xúc tác bởi CO/CO2/oxy/lưu huỳnh: đảm bảo methane hóa và khử lưu huỳnh đạt; sự cố tăng oxy hợp chất là rủi ro lớn.
- Tích tụ khí trơ: giảm hiệu suất; điều chỉnh purge.
- Nitriding/hydrogen attack với thiết bị áp cao: chọn vật liệu phù hợp, giám sát theo đường cong Nelson.
- Sự cố máy nén syngas: ảnh hưởng toàn nhà máy; bảo trì và giám sát rung động.
Kinh tế và phát thải
NH3 truyền thống là một trong những nguồn phát thải CO2 công nghiệp lớn (chủ yếu từ reforming và đốt nhiên liệu). Chi phí chi phối bởi giá khí và vốn đầu tư front-end. Quy mô lớn và tích hợp nhiệt là chìa khóa hiệu quả.
Cập nhật đến 2026
Ammonia xanh (H2 từ điện phân nước bằng điện tái tạo, N2 từ tách không khí) và ammonia lam (front-end truyền thống nhưng kèm CCUS) là tâm điểm khử carbon. Song song, NH3 được nghiên cứu mạnh như nhiên liệu cho động cơ tàu biển và đồng đốt trong nhà máy điện, cùng vai trò vận chuyển hydro đường dài (dễ hóa lỏng hơn H2). Về xúc tác, các hệ ruthenium và quy trình tổng hợp áp suất thấp hơn (phù hợp nguồn H2 tái tạo dao động) đang được quan tâm.