Đồ án tốt nghiệp Bách Khoa HN Thiết kế xưởng sản xuất Ure công suất 600.000Tnăm đi từ than cám theo công nghệ lò Shell hiện đại

Bản đồ án mô tả chi tiết bản tính toán, trình bày quá trình thiết kế xưởng sản xuất Urê công suất 600.000 Tấn năm theo công nghệ lò Shell hiện đại đi từ than cám, bản đồ án được trình bày bởi sinh viên bách khoa HN công nghệ các chất vô cơ

Ph ần I

T ổng quan về ngành công nghiệp ure trong nước và trên thế giới

Hiện nay với việc phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật trên thế giới, nền đại công nghiệp đã và đang tạo ra cho xã hội loài người một khối lượng vật chất khổng lồ, đời sống người dân không ngừng cải thiện, các nhu cầu của con người ngày càng được

giải quyết một cách vẹn toàn, tuy nhiên kéo theo đó là quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa diễn ra rất mạnh mẽ Đồng thời với việc dân số thế giới đang tăng hàng ngày, đã dẫn đến một thực trạng là diện tích đất canh tác đang dần bị thu hẹp trong khi nhu cầu lương

thực lại ngày càng gia tăng Đặt ra những vấn đề cấp thiết cần giải quyết: Giảm đói nghèo

và tình trạng mất an ninh lương thực

Như vậy phân bón được coi như là một giải pháp then chốt nhằm tăng năng suất cây

trồng, đảm bảo sản lượng vẫn tăng trưởng trong khi diện tích canh tác bị thu hẹp Có thể

thấy phân bón đóng một vai trò to lớn đối với sự phát triển ổn định của xã hội

Ngành công nghiệp sản xuất Urê trên thế giới đang phát triển khá nhanh thể hiện qua các con số mô tả lượng urê được tiêu thụ (nguồn-IFA):

Năm 1973 1997 2003

Sản lượng TT(Triệu tấn) 8,3 37,6 50

Hiệp hội phân bón quốc tế (IFA) cũng dự báo nhu cầu phân bón thế giới vụ mùa (2011/2012) tiếp tục tăng cao và trong năm 2012 sẽ trở nên cân đối hơn thể hiện qua bảng sau:

Sản phẩm Cung-cầu 2010 2011 2012 Ure (Triệu tấn) Cung 155,6 158,9 167,1

Cầu 149,6 155,3 163,6

Hình 1:Bi ểu đồ thể hiện quan hệ cung-cầu lượng Urê trên thế giới

Để đánh giá sản lượng Urê ta có thể đánh giá thông qua sản lượng NH3 Trong đó sản lượng NH3 thế giới vào khoảng 134,8 triệu tấn trong năm 2010, trong giai đoạn 2010-

2014 tổng sản lượng NH3 thế giới có thể tăng tới 184,2 triệu tấn dinh dưỡng (N).Trong

đó khu vực Nam Á (Ấn Độ,Pakistan); Đông Á (Trung Quốc,Việt Nam) đóng góp tới 51%

phần sản lượng tăng thêm Phần còn lại đến từ Châu Phi (Algeria, Ai Cập) và Tây Á (Iran, Qatar, Saudi Arabia và Abu Dhabi)

Hiện nay có khoảng 65 nhà máy phân đạm trên toàn thế giới đang được xây dựng

hoặc đang trong kế hoạch xây dựng, trong đó có 23 nhà máy thuộc về Trung Quốc

( trích dẫn từ nguồn –Báo cáo tháng ngành hàng phân bón, tháng 3/2011; Trung tâm

thông tin PTNNNT–Viện chính sách và chiến lược PTNNNT–Bộ Nông nghiệp & PTNT)

Tại Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất Urê đang phát triển khá nhanh.Thể hiện qua các con số dưới đây:

• Trước năm 2005 Cả nước chỉ có một nhà máy đạm Hà Bắc với công suất chỉ 150 nghìn tấn Urê/năm Sử dụng công nghệ lạc hậu, đi từ nguyên liệu than cục (Hiện nay sau khi cải tạo, nâng cấp công suất đã tăng lên 190 nghìn tấn Urê/năm-năm 2010)

• Sang năm 2005, nước ta có thêm nhà máy đạm Phú Mỹ với công suất 750 nghìn

tấn Urê/năm, sử dụng công nghệ tiên tiến, đi từ nguyên liệu là khí thiên nhiên.Tức

năng lực sản xuất hiện tại của nước ta là khoảng 940 nghìn tấn Urê/năm Nước ta đang có các nhà máy đạm sắp đi vào hoạt động là:

 Nhà máy đạm Ninh Bình với công suất 560 nghìn tấn Urê/năm, sử dụng công nghệ lò phun (lò Shell) đi từ than cám

 Nhà máy đạm Cà Mau với công suất 800 nghìn tấn Urê/năm, đi từ nguyên liệu là khí thiên nhiên

 Ngoài ra nhà máy phân đạm Hà Bắc đang khởi công dây chuyền sản xuất số 2 với công suất 320 nghìn tấn Urê/năm, sử dụng công nghệ lò Shell đi từ than cám Trong tương lai có thể có thêm một nhà máy phân đạm nữa ở Nghi Sơn-Thanh Hóa

Như vậy qua so sánh ta nhận thấy trước năm 2005 nước ta chỉ có duy nhất nhà máy phân đạm Hà Bắc với năng lực sản xuất là 150 nghìn tấn Urê/năm thì trong tương lai 3-4 năm

tới năng lực sản xuất toàn ngành sẽ đạt tối thiểu là 2 triệu 620 nghìn tấn Urê/năm Đây là

một bước phát triển lớn đối với ngành công nghiệp sản xuất Urê tại Việt Nam

Ph ần 2

Cơ sở hóa lý của quá trình sản xuất Urê

2.1 Nguyên li ệu sản xuất Urê:

Công thức phân tử của Urê là (NH2)CO(NH2), vậy để sản xuất Urê ta phải đi từ các nguyên liệu có chứa C,H,N,O Trong thực tế công nghiệp :

• N (Nitơ) lấy từ không khí

• H (hidro) lấy từ nước (H2O) hoặc từ Hidro cacbon (CnHm)

• C (cacbon) Lấy từ than đá hoặc khí thiên nhiên-khí đồng hành

• O (oxi) lấy từ nước (H2O) và không khí

Tóm lại, nhà máy Urê dùng nguyên liệu là không khí, hơi nước kết hợp với một trong hai nguyên liệu sau:

những năm1960 trở đi, khí thiên nhiên-khí đồng hành vươn lên vị trí số một, do lúc này công nghệ khai thác khí phát triển, cho phép xây dựng đường ống dẫn khí dài hàng trăm

km từ đại dương vào đất liền So với nguyên liệu sản xuất từ than, khí thiên nhiên-khí đồng hành có những ưu điểm nổi bật: Sử dụng nguyên liệu khí thiên nhiên-khí đồng hành cho phép xây dựng nhà máy Urê với công suất lớn, chi phí xây dựng và vận hành thấp, giá thành sản phẩm hạ, ít ô nhiễm môi trường Cụ thể được minh họa trong bảng sau:

Loại nguyên liệu Khí thiên nhiên Dầu nhẹ (Naptha) Dầu nặng (Mazut,FO) Than

Chi phí đầu tư

xây dựng 1 1,15 1,5 2,5 Chi phí năng

lượng vận hành 1 1,1 1,3 1,7 Chi phí nguyên

liệu a >a >>a >>>a

Các nguyên liệu được sử dụng hiện nay ở nước ta:

• Nhà máy Đạm Hà Bắc cũ sử dụng nguyên liệu là than cục

• Nhà máy đạm Ninh Bình, đạm Hà Bắc mở rộng sử dụng nguyên liệu là than cám

• Nhà máy đạm Phú Mỹ, đạm Cà Mau sử dụng nguyên liệu là khí thiên nhiên-khí đồng hành

Bản đồ án này được trình bày trên cơ sở xưởng sản xuất Urê đi từ nguyên liệu là than cám, dùng công nghệ lò Shell trong công đoạn khí hóa than (Hiện đang áp dụng tại nhà máy đạm Ninh Bình)

Ở trên ta đã đề cập một cách tổng quát đến các nguyên liệu phục vụ cho việc sản xuất Urê, tuy nhiên trong khuôn khổ nhiệm vụ thiết kế của bản đồ án ta sẽ xuất phát với các nguyên liệu là CO2 và NH3- Đây là những nguyên liệu trực tiếp tổng hợp nên Urê

2.1.1 Nguyên li ệu CO 2 :

Khí CO2 ở điều kiện thường là khí không màu, hóa lỏng ở P=35,54at;T=00C, không màu.Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ CO2 lỏng chuyển thành CO2 rắn màu trắng như tuyết

(đá khô).Do đó CO2 tồn tại ở 3 trạng thái rắn,lỏng,khí tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ môi trường nén và có điểm ba ở trạng thái cân bằng rắn-lỏng-khí với điểm tới hạn:

T T

Cân bằng lỏng rắn của CO2 có dạng:

mmHg T

P 3515) 2,687.lg 3,198;

Ở 216,530

K và P=5,113 at có nhiệt chảy lỏng của CO2 là 46,39 kcal/kg.Còn nhiệt

hóa hơi từ CO2 lỏng là 129,53 kcal/kg

Khí CO2 đi vào tháp tổng hợp Urê cần đạt yêu cầu ≥ 98% (Theo yêu cầu thiết kế

• Urê có công thức phân tử: (NH2)CO;

• Khối lượng riêng d=1,34g/cm3

;

• Nhiệt độ nóng chảy T=132-1350

C;

• Thành phần:45-46%N và <2%biuret;

Tính ch ất:Urê có dạng tinh thể hình viên tròn như trứng cá, màu trắng đục hay

trắng ngà, không mùi, hòa tan nhanh trong nước và rất linh động

Ở nhiệt độ > 200C Urê hút ẩm chảy nước trở nên nhớt và lạnh, có thể vón cục và đóng tảng gây ảnh hưởng xấu đến trạng thái vật lý của hạt Urê

Ứng dụng lớn nhất của Urê là sử dụng làm phân bón,Urê là loại phân đạm chứa hàm lượng N nhiều nhất, có tác dụng tốt đối với việc nâng cao năng suất, chất lượng sản

phẩm cây trồng

Ngoài ra Urê còn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác: Làm nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo có giá trị (chất dẻo chứa amin), keo dán tổng hợp, thuốc thấm ướt vải,sợi tổng hợp.v.v

2.2 Cơ sở hóa lý:

Giai đoạn tổng hợp trong xưởng Urê được mô tả tóm lược bởi sơ đồ sau:

ĐÓNG

CO 2

(Khí CO2được chứa trong kho chứa,

ngu ồn CO 2 được tách ra từ khí than)

NH3

( NH 3 l ỏng chứa trong kho chứa,nguồn NH 3

được lấy từ quá trình tổng hợp NH 3 d ựa trên các khí N2;H2 từ quá trình khí hóa than)

TỔNG HỢP URÊ

NH3 + CO2 = NH4COONH2 (cacbamat)

NH4COONH2 ↔ NH 2 CONH2 (Urê) + H2O

Điều kiện làm việc:T=180 0

C ÷2100C

P=145 at ÷ 250 at

Thi ết bị: Tháp tổng hợp Urê; máy nén CO 2 ; bơm pittông cao áp NH 3 l ỏng

CHƯNG PHÂN GIẢI

Tách các ch ất chưa phản ứng để thu hồi và cho quay trở về tháp tổng hợp, đồng thời nâng cao nồng độ URÊ

Điều kiện làm việc:

+Trung áp (P=3-18at)

+Nhi ệt độ (T=110-180 0 C)

+Ăn mòn thiết bị mạnh

Thi ết bị: Tháp chưng phân giải lần 1 và 2; thiết bị phân ly

CÔ ĐẶC DUNG DỊCH URÊ

Cô đặc nâng cao nồng độ Urê

Điều kiện làm việc:

Đóng bao và xuất kho Thi ết bị:Máy đóng bao

Urê 33%

Urê 71%

Urê

hạt

Để xây dựng mô hình động học tổng hợp Urê phải lựa chọn cơ chế phản ứng xảy

ra trong tháp tổng hợp:

2.2 1 Cơ chế phản ứng:

Có nhiều quan điểm khác nhau về cơ chế phản ứng tạo Urê từ NH3 và CO2;ở đây

ta giới thiệu sơ qua 2 cơ chế:

O=C-O- + NH4+↔ -O-C+-O- + NH4+→-O -C-OH → O- - C-OH2+→-O-C H2O+

2.2 2 Động học phản ứng:

Theo quan điểm của các nhà nghiên cứu về phản ứng tổng hợp Urê thì động học

phản ứng có thể xảy ra ở pha khí hoặc pha lỏng

Ở đây ta quan tâm đến phản ứng xảy ra trong pha lỏng

Phản ứng tổng quát: 2NH3 + CO2 ↔ CO(NH2)2 + H2O + Q (1)

Phản ứng trên xảy ra qua 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1:Tạo cacbamat amon

NH3(l) + CO2(k) ↔ NH4COONH2 +Q1 (1a) Giai đoạn 2: Phân giải cacbamat tạo Urê

NH4COONH2 ↔ NH2CONH2 (Urê) + H2O – Q2 (1b)

Quá trình điều chế Urê là quá trình dị thể trong hệ khí-lỏng, xảy ra trong vùng động học và tốc độ của nó được giới hạn bởi giai đoạn chậm nhất Giai đoạn tách nước amoni cacbamat (1b) xảy ra tương đối chậm nên có thể coi là giai đoạn khống chế tốc độ

của quá trình tổng hợp urê

Sản phẩm ra khỏi tháp tổng hợp: Urê; cacbamt; H2O; NH3;…

• Phản ứng (1a) là phản ứng gần như hoàn toàn, xảy ra nhanh nên theo nguyên tắc sản phẩm ra khỏi tháp tổng hợp không chứa ( NH3 + CO2).Tuy nhiên trong thực tế người ta lấy dư NH3 nên sản phẩm ra khỏi tháp tổng

hợp chứa một lượng lớn NH3

• Phản ứng (1b) là phản ứng thuận nghịch, hiệu suất phân hủy cacbamat (ŋ)

phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ lấy dư NH3…Tuy nhiên giá trị (ŋ) cực đại là 68%

Trong điều kiện công nghiệp thường ŋ ≈ 65%, điều này có nghĩa là sản

phẩm ra khỏi tháp tổng hợp gồm rất nhiều cấu tử : Urê,cacbamat,NH3 Urê trong đó có nồng độ thường 30÷35%

Điều này dẫn đến sau khi ra khỏi tháp tổng hợp hỗn hợp phản ứng phải trải

ột quá trình phân giải, chưng luyện, cô đặc rất phức tạp và tốn kém

 Nâng cao hàm lượng Urê đến mức cần thiết (>99,5%)

 Thu hồi lại cấu tử chưa phản ứng tuần hoàn lại tháp tổng hợp

2.2.3 Ảnh hưởng các điều kiện công nghệ tới cân bằng phản ứng tổng hợp Urê:

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới cân bằng phản ứng tạo Urê, ta có thể kể tới một

số yếu tố ảnh hưởng chính sau:

• Nhiệt độ;

• Áp suất;

• Thời gian đun nóng cabamat amoni;

• Ảnh hưởng của khí tạp đến hiệu suất tạo Urê;

• Tỷ lệ thành phần NH3/CO2;

• Lượng nước sinh ra trong quá trình tổng hợp

2.2.3.1 Nhi ệt độ:

Với các tỷ lệ NH3/CO2 khác nhau và áp suất khác nhau hiệu suất tạo Urê ở tháp

tổng hợp dòng chảy thay đổi về đến giá trị cực đại,sau đó tăng nhiệt độ thì hiệu suất giảm đối với mọi áp suất tương ứng 190÷400 at Vì vậy ứng với mỗi tỷ lệ mol NH3/CO2 sẽ có

một P xác định tại nhiệt độ phù hợp sẽ cho hiệu suất chuyển hóa tốt nhất.Ngoài ra từ

phản ứng (1a) và (1b) ta cần điều chỉnh nhiệt độ sao cho phản ứng (1b) chuyển dịch theo chiều thuận và tránh phản ứng (1a) phân ly ngược lại

Phản ứng (1b) là phản ứng thu nhiệt, quyết định đến hiệu suất của quá trình chung

Do đó về nguyên tắc thì nhiệt độ càng cao hiệu suất phân hủy cacbamat càng cao.Trong

thực tế nhiệt độ phải đủ cao để duy trì hệ ở trạng thái chảy lỏng.Tuy nhiên nhiệt độ cao quá thì tốc độ ăn mòn thiết bị sẽ tăng nhanh

Quá trình phân hủy Urê → Biuret cũng xảy ra Do đó người ta thường chọn t0 = 180÷2100C

2.2.3.2 Áp su ất:

Hình 2:S ự phụ thuộc của hiệu suất tạo Urê vào áp suất

Áp suất phải đủ lớn và có giá trị thích hợp để duy trì hệ ở trạng thái lỏng ( Nếu áp

suất bé hơn giá trị này , NH3 dễ dàng biến đổi thành trạng thái khí)

Khi áp suất tăng hiệu suất tạo Urê cũng tăng Tuy nhiên trong công nghiệp người

ta thường chọn P= 140÷250 at

Chẳng hạn: Xưởng Urê cũ ở đạm Hà Bắc có P=200 at

Xưởng Urê mới ở đạm Hà Bắc mới và đạm Ninh Bình có P=158 at

2.2.3.3 Th ời gian đun nóng cabamat amoni:

30 40 50 60

Hình 3:S ự phụ thuộc của hiệu suất tạo Urê vào nhiệt độ và thời gian lưu

kh ối phản ứng trong thiết bị

Hiệu suất Urê càng lớn khi nhiệt độ càng cao, tuy nhiên khi nhiệt độ cao hơn

1800C thì các đường cong hiệu suất đi qua cực đại, tức khi kéo dài thời gian đun nóng

hỗn hợp thì mức độ chuyển hóa cacbamat amoni tạo Urê giảm xuống do các phản ứng

phụ sinh ra, nên cần tiến hành ở nhiệt độ không quá 2000C

2.2.3.4 Ảnh hưởng của khí tạp đến hiệu suất tạo Urê:

Khí tạp làm giảm tốc độ phản ứng và hiệu suất tạo thành Urê

• Nếu nồng độ khí tạp = 1÷2% thì ŋ ≈ 65%;

• Nếu nồng độ khí tạp = 14÷15% thì ŋ ≈ 45%

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tuy nhiên trong nguyên liệu đầu vào người ta thường bổ sung khoảng 0,5%O2 theo

đường NH3 ( giúp giảm tốc độ ăn mòn thiết bị do trong tháp O2 tác dụng với vật liệu làm

tháp tạo hợp chất bền bao phủ bề mặt thiết bị)

2.2.3.5 T ỷ lệ thành phần NH 3 /CO 2 :

Hình 4:S ự phụ thuộc của hiệu suất tạo Urê vào lượng dư NH3

Tỷ lệ này quyết định đến lượng lấy dư NH3 trong hỗn hợp ban đầu giúp làm tăng

khả năng tạo pha lỏng và giảm tác dụng của H2O sinh ra Lượng NH3 dư sẽ liên kết với

nước sinh ra và làm cho cân bằng phản ứng phân hủy amoni cacbamat thành Urê theo

phản ứng:

NH2COONH4↔NH2COONH2 + H2O

Chuyển dịch về phía tạo sản phẩm Urê, hiệu suất tạo Urê sẽ tăng.Ngoài ra NH3

còn hạn chế thủy phân cacbamat thành các sản phẩm phụ, làm giảm ăn mòn thiết bị

50 60 70 80

Tỷ lệ trên đưa vào phụ thuộc vào việc thiết kế hệ thống(áp suất,nhiệt độ,lượng nước quay trở lại…) Tỷ lệ này theo lý thuyết là NH3/CO2 = 2 Nhưng trong thực tế thường lấy tỷ lệ này =3÷4 Nghĩa là dư từ 50÷100%

2.2.3.6 Lượng nước sinh ra trong quá trình tổng hợp:

Nước tham gia vào phản ứng Ở thời điểm ban đầu sự có mặt của nước giúp cho quá trình chảy lỏng của cacbamat dễ dàng hơn do đó hiệu suất tạo thành Urê tăng nhanh, tuy nhiên do phản ứng sinh ra nước làm nhiệt độ phản ứng tăng nên về cuối quá trình nước lại có tác dụng ngược lại, làm dịch chuyển cân bằng của phản ứng (1b) làm giảm

hiệu suất tạo Urê.Để hạn chế ảnh hưởng xấu của nước người ta lấy dư NH3, lúc đó H2O

sẽ tham gia phản ứng với NH3 :

NH3 + H2O ↔ NH4OH

Ph ần 3

Ch ọn và biện luận dây chuyền thiết bị trong công nghệ sản xuất Urê

Căn cứ vào cơ sở hóa lý trên của quá trình sản xuất Urê người ta có thể tổng hợp Urê dựa trên các công nghệ:

• Công nghệ tổng hợp urê không tuần hoàn khí không phản ứng;

• Công nghệ sản xuất Urê tuần hoàn khí nóng;

• Công nghệ sản xuất Urê tuần hoàn toàn bộ dạng lỏng

3.1 Công ngh ệ tổng hợp urê không tuần hoàn khí không phản ứng

Sơ đồ không tuần hoàn khí không phản ứng được thực hiện đầu tiên vào năm 1922 ở Đức trên thiết bị tổng hợp Urê năng suất 1,2 tấn/giờ

Sơ đồ nguyên lí:

Thuy ết minh lưu trình:  Khí CO2 được nén tới P=150 at; t=2000C, sau đó loại khí O2 lẫn cấp cho tháp tổng hợp Urê  NH3 lỏng nén đến 150 at  Khí CO2 và NH3 có áp suất được phối hợp với nhau trong tháp tổng hợp Urê  Nhiệt phản ứng đốt nóng khối sản phẩm phản ứng đi ra khỏi tháp dùng để chế tạo hơi nước với công suất 1 tấn Urê/0,8 tấn hơi nước Sau thời gian <2h ở t=160÷1700C; P=150 at đạt hiệu suất chuyển hóa khỏang 50%, còn lại khí không chuyển hóa đưa đi phân ly bằng cách dãn áp từ 150 at xuống áp suất thường và t=80÷950C, đưa vào tháp chưng phân giải để tách NH3 và CO2 còn lại trong dung dịch sau phản ứng Dung dịch đưa đi cô đặc, sấy phun hoặc tạo hạt được Urê dưới dạng hạt do vê viên từ bột Urê hay qua tháp tạo hạt Phần nguyên liệu không phản ứng đưa đi phân xưởng thu hồi đưa về kho chứa để tái sử dụng hoặc dùng vào các mục đích khác 1 2

3

4

5

6

7

8

Khí

Khí

Đi sản xuất (NH4)2SO4

Urê s ản phẩm

Hình 5:Sơ đồ nguyên lí công nghệ

t ổng hợp Urê không tuần hoàn khí không ph ản ứng

1,2 : Máy nén CO2 và NH3 3: Tháp tổng hợp Urê 4: Thiết bị chưng phân giải cấp 1 5: Thiết bị phân ly khí

6: Thi ết bị chưng phân giải cấp 2 7: Thi ết bị cô đặc dung dịch Urê 8: Thi ết bị sấy phun tạo hạt

Dung dịch sau chưng tách đưa đi cô đặc đến nồng độ Urê 93% rồi cung cấp cho

sấy phun để thu Urê bột cung cấp cho tạo hạt, vê viên và sấy sản phẩm cuối cùng Các khí thoát ra khi chưng tách, cô đặc và phân ly đều đưa đi chế biến tạo sản

phẩm khác không tuần hoàn trở lại quá trình sản xuất Urê

• Ưu điểm : Lưu trình công nghệ, thiết bị đơn giản

• Nhược điểm: Hiệu suất tạo Urê thấp, không tuần hoàn được lượng nguyên

liệu chưa phản ứng

3.2 Công ngh ệ sản xuất Urê tuần hoàn khí nóng

 Quá trình thực hiện bằng cách nén hỗn hợp khí ẩm chứa 45% NH3 , 26%CO2 , 29% H2O tới áp suất làm việc của tháp tổng hợp cho phép giảm 5 lần lượng NH3

dư đi chế tạo amoni sunphat

 Khi tỷ lệ NH3/CO2 = 2,5; H2O/CO2 = 0,625 mức độ chuyển hóa NH3 thành Urê đạt 90%, để tránh tạo amoni cacbamat phải đốt nóng hỗn hợp khí khi nén rất phức

tạp cho tổ chức và quản lý sản xuất.Do đó phương pháp này được đề xuất tổng

hợp ở P=200 at, T=2000

C

Sơ đồ nguyên lí:

Hình 6: Sơ đồ nguyên lí công nghệ tổng hợp Urê tuần hoàn khí

nóng

Thuy ết minh lưu trình:

Khí NH3 và CO2 được nén hóa lỏng nhờ máy nén (1) và (2) tới áp suất tổng hợp rồi trộn

lẫn với khí nóng tuần hoàn ở t=315÷3350C dưới tác động của máy nén (3) Hỗn hợp có

t=185÷2600C đưa vào thiết bị tổng hợp trao đổi nhiệt (4) xảy ra quá trình tạo Urê Nhiệt

phản ứng tỏa ra dùng để chế tạo hơi nước

CO 2

NH 3

1

2 3

4 5

Khi tro

Dung dich cacbamat

Nuoc

1:Máy nén khí CO2; 6,7:Thi ết bị chưng phân giải cacbamat cấp 1 và 2;

2:Máy nén NH3; 8:Thi ết bị hấp thụ;

3:Máy nén tu ần hoàn; 9:Thiết bị làm mát;

4:Thi ết bị phản ứng trao đổi nhiệt; 10:Bơm tuần hoàn

5:Thiết bị phân ly tách

Hỗn hợp chảy lỏng đưa đi dãn áp 3 cấp từ 15÷30 at; 1,5÷5 at và độ chân không, sau đó qua bộ phận phân ly giọt và đốt nóng để phân hủy cacbamat amoni Pha khí từ thiết bị chưng phân giải cacbamat amoni do giảm áp ở thiết bị 7 được đưa vào thiết bị hấp thụ

dạng đệm 8 bằng dung dịch tuần hoàn đã qua làm lạnh ở 9 nhằm thu hồi NH3 và CO2không phản ứng, khí trơ còn lại phóng không nếu hết NH3, nếu chứa NH3 quá tiêu chuẩn

phải đưa qua hệ thống làm sạch NH3, một phần dung dịch liên tục qua bơm 10 vào thiết

bị phân giải cấp 1 trong thiết bị 6, khí ra khỏi phân giải cấp 1 trộn lẫn với khí ra khỏi thiết

bị phân ly 5 về cung cấp cho máy nén tuần hoàn 3 Khi giảm áp hỗn hợp chảy lỏng ra

khỏi tháp tổng hợp từ 225 at xuống 20 at về đốt nóng hỗn hợp đó tới 1500C có thể đạt

mức độ phân giải cacbamat amoni 90%

Tiếp tục nén khí từ 20 lên 225 at, nhiệt độ pha khí tăng lên đến 4250C còn sau đó đem

trộn với khí nguyên liệu mới chứa NH3 và CO2 thì nhiệt độ giảm xuống còn 210÷2600

C

• Ưu điểm: Giảm đầu tư xây dựng và chi phí sản xuất,giải quyết được vấn đề nguyên liệu dư chưa phản ứng hết

• Nhược điểm: Ăn mòn thiết bị rất mạnh, hiệu suất tạo Urê không cao

3.3 Công ngh ệ sản xuất Urê tuần hoàn toàn bộ dạng lỏng

Phương pháp này hiện đang được áp dụng rộng rãi cả trên thế giới và tại Việt Nam nhờ

có các ưu điểm nổi bật sau:

• Hiệu suất tổng hợp cao;

• Chi phí năng lượng thấp;

• Tận dụng triệt để nguồn nguyên liệu đưa vào nhờ quá trình tuần hoàn dịch lỏng

Bản đồ án này được trình bày dựa trên công nghệ sản xuất Urê tuần hoàn toàn bộ dạng

lỏng tại nhà máy đạm Ninh Bình

Sơ đồ nguyên lí:

Hình 7: Sơ đồ nguyên lí công nghệ tổng hợp Urê tuần hoàn toàn

di thu hoi NH3 va CO2

di thu hoi NH3 va CO2

bom tuy-e

di xu ly khi

147at 204°C

hoi nuoc nuoc ngung hoi nuoc

nuoc ngung

0,3 at

102 °C

hoi nuoc nuoc ngung

0,3 at

128 °C

hoi nuoc nuoc ngung

Hat khong dat yeu cau

Dich cacbamat tuan hoan

hoi nuoc nuoc ngung

1: Tháp t ổng hợp Urê 5a,5b: Thiết bị cô đặc lần 1,2

2: Thi ết bị phân ly lỏng-khí sơ bộ 6: Thùng hòa tan sản phẩm không đạt yêu

c ầu

3a,3b:Thi ết bị chưng phân giải lần 1,2 4: Thiết bị bốc hơi nhanh(cô đặc sơ bộ) 7: Thùng chứa Urê lỏng 8:Tháp tạo hạt

t = 188 0C

Khi ra khỏi tháp tổng hợp, nồng độ dung dịch Urê đạt 33%, còn lại là các chất chưa phản ứng và các sản phẩm trung gian Dung dịch này được đưa qua quá trình chưng phân giải

ở các thiết bị chưng phân giải tiếp theo để nâng cao nồng độ

Các sản phẩm chưa phản ứng cũng sẽ được thu hồi và tuần hoàn lại tháp tổng hợp

• T ại thiết bị phân ly lỏng-khí sơ bộ (2):

Dịch nóng lỏng của Urê đã tạo thành trong tháp tổng hợp được tiết lưu từ 158 at xuống

147 at và đi vào thiết bị phân ly lỏng-khí sơ bộ (2)

Điều kiện làm việc tại thiết bị phân ly lỏng-khí sơ bộ: P = 147 at;

về tháp tổng hợp nhập chung với đường NH3 mới

Phần phía dưới nhận dung dịch Urê đạt nồng độ 43% được đưa sang thiết bị chưng phân

giải (3a) rồi (3b)

• T ại thiết bị chưng phân giải lần 1 và lần 2 (3a,3b):

Dịch Urê có nồng độ 43% ra khỏi thiết bị phân ly lỏng-khí sơ bộ (2) được đưa sang thiết

bị chưng phân giải (3a) rồi (3b)

Điều kiện làm việc:

Tại thiết bị (3a):P = 18 at;

t=1580C

Tại thiết bị (3b):P=4,6 at;

Quá trình chưng phân giải được mô tả qua 2 giai đoạn:

 Phân hủy cacbamat chưa chuyển thành Urê tạo lại khí NH3 và CO2;

 Đuổi NH3 và CO2 ra khỏi dung dịch qua quá trình chưng

Áp suất ở thiết bị chưng phân giải (3a) được duy trì ở P=18at do áp suất này bằng áp suất hơi bão hòa của NH3 ở nhiệt độ t=1580C nên khí thoát ra chủ yếu là NH3

Dịch Urê đi ra khỏi thiết bị chưng phân giải (3a) và (3b) có nồng độ lần lượt là: 63% và 71% và được dẫn sang hệ thống thiết bị cô đặc

Khí tại (3b) được đưa đi hấp thụ hỗn hợp khí ( CO2, NH3) tạo dung dịch cacbamat sau đó được tuần hoàn trở lại tháp tổng hợp

• T ại các thiết bị cô đặc (4, 5a, 5b):

Dịch Urê sau khi ra khỏi thiết bị chưng phân giải (3b) được đưa sang hệ thống cô đặc (4, 5a, 5b)

Điều kiện làm việc tại thiết bị cô đặc sơ bộ (4):P=0,3 at;

Điều kiện làm việc ở các thiết bị cô đặc trên đều ở áp suất thấp(áp suất chân không) có ưu điểm:

 Tốc độ bay hơi cao;

 Nhiệt độ sôi của dịch giảm làm giảm hàm lượng Biuret (Biuret sinh ra khi nồng độ Urê cao và nhiệt độ cao)

Tại các thiết bị trên được tách ra và nồng độ Urê được nâng cao từ 85% lên 95% rồi 99,7% theo nguyên tắc hơi thứ thoát ra khỏi nồi cô đặc là hơi nước Tuy nhiên ở đây do

một phần Urê bị phân hủy khi cô đặc (3-5%) Do đó hơi thứ thoát ra khỏi các nồi cô đặc

có chứa (CO2, NH3) Để thu hồi lại lượng nguyên liệu này đồng thời bảo vệ môi trường làm việc người ta đưa hơi thứ sang thiết bị hấp thụ để tạo dịch cacbamat sau đó tuần hoàn

về tháp tổng hợp, dịch ra khỏi thiết bị cô đặc được dẫn sang thùng chứa Urê lỏng (7) để

phục vụ cho công đoạn tạo hạt

• T ại thiết bị tạo hạt (8):

Để tạo hạt Urê người ta phun Urê nóng lỏng từ đỉnh tháp tạo hạt Các hạt Urê khỏi vòi phun, rơi xuống trong lòng tháp Trong quá trình rơi các hạt Urê được làm nguội bởi dòng không khí chuyển động ngược chiều từ đáy tháp đi lên Dòng không khí này có tác

dụng vừa làm tăng hiệu suất truyền nhiệt vừa làm tăng thời gian hạt Urê rơi xuống nên quá trình kết tinh của Urê xảy ra dễ dàng hơn Tuy nhiên dòng không khí này cũng làm

tổn thất một lượng Urê khá lớn do bị cuốn ra ngoài (0,5-1%)

Trong quá trình rơi ở tháp tạo hạt, hạt Urê xảy ra 3 quá trình:

 Làm nguội giọt lỏng;

 Kết tinh hạt;

 Làm nguội hạt rắn

Hạt Urê kết tinh được phân loại qua sàng, các hạt có kích thước đạt yêu cầu được đem đi đóng bao,các hạt có kích thước không đạt yêu cầu được đưa trở lại thùng hòa tan sản

phẩm không đạt yêu cầu (6), sau đó được đưa trở lại thiết bị cô đặc tiến hành cô đặc với

dịch mới Urê đi vào

Ph ần 4

Tính K ỹ Thuật

4.1 Tính cân b ằng chất và cân bằng nhiệt toàn xưởng sản xuất

4.1.1 Cân b ằng chất tổng hợp Urê

Thông qua nhiệm vụ thiết kế xưởng sản xuất Urê với công suất 600.000 tấn

Urê/năm.Thời gian vận hành thực tế tại nhà máy là 320 ngày/năm (Do thời gian phải

ngừng sản xuất, bảo trì, sửa chữa thiết bị là ≈ 45 ngày) như vậy công suất tương đương

tính theo giờ: 78125

320.24

10

600 6

= (kg/h) ta có các số liệu ban đầu như sau:

Năng suất thiết bị tính đối với Urê 100% (kg/h) 78125 (kg/h)

Thành phần NH3 lỏng (mới và trong tuần hoàn %)

NH3 99,5

H2O 0,5 Thành phần khí CO2(% thể tích) CO2 98,3

Các khí khác 1,7 Hàm lượng NH3 trong dung dịch nước của các muối amoni quay lại chu trình (%) 40

Áp suất trong tháp tổng hợp (at) 158

Tỷ số mol của các cấu tử được cung cấp vào tháp tổng hợp-NH3:CO2:H2O 4,6:1:0,4

Mức chuyển hóa amoni cacbamat thành Urê (%) 67

Tổn thất Urê (%)

Khi chưng luyện 5

Khi bốc hơi cô đặc (Dạng không hoàn lại được) 0,5 1

Khi kết tinh (không hoàn lại được) 1

4.1.1.1 Tính lượng chất đưa vào tháp tổng hợp:

Khi mức tổn thất là :5+1+1=7% , để thu được 78125kg/h thành phẩm thì lượng Urê phải

được tạo thành trong tháp tổng hợp là:

78125.1,07=83593,75 (kg/h)

kg lt

kg lt

để tạo thành Urê và tỷ số mol đã chọn của các chất phản ứng:

162612,72

67.60

100.6,4.17.75,835933

100.1.44.75,835932

100.4,0.18.75,835932

=

=

O H

(Ở đây 4,6; 1; 0,4 là các hệ số tính tỷ số mol NH3; CO2; H2O 65 là mức chuyển hóa amoni cacbamat thành Urê, %)

4.1.1.2 Tính lượng NH 3 ; CO 2 và H 2 O theo dung d ịch muối amoni quay trở về chu trình:

Gọi hàm lượng phần trăm NH3, CO2 và H2O trong dung dịch muối amoni là α, β, γ Theo

số liệu ban đầu chọn α=40%

Khi đó thành phần dung dịch muối amoni được xác định như sau:

60

44.7812560

)1.(

44.75,83593'

,0.60

)67,01.(

44.75,83593'

005.0)

.(

005,01

005,0)

2 3

3

α

CO NH

NH

m

Thay số ta có:

B1=

ββ

β

07,420005,01

005,0)

4,0.61,3334475

,83593(005,01

005.0)

(Ở đây 0,005 là hàm lượng nước trong NH3)

Ngoài ra lượng nước vào theo NH3 mới và theo NH3 quay về có thể xác định theo

01,14972

β 67,02

07,4206

,

→ β = 0,42

Do đó γ= 0,6-0,42=0,18

Thay các giá trị β và γ vào các phương trình (5) và (6) ta xác định được lượng NH3 và

H2O vào theo dung dịch muối amoni:

31756,77

42,0

4,0.61,33344'

18,0.61,33344'

B1 = 14972,01 – 14290,55 = 681,46 (kg/h)

Sơ đồ các dòng vật liệu của sản xuất Urê tuần hoàn lỏng được mô tả sơ lược bởi hình sau:

Hình 8: Sơ đồ dòng vật liệu quá trình sản xuất Urê tuần hoàn lỏng tại tháp

t ổng hợp

Dựa vào sơ đồ trên ta tính được lượng NH3 mới, CO2 mới vào tháp tổng hợp:

Lượng tổng cộng các cấu tử vào (kg/h):

Tong Hop Ure

(NH 3 moi)

(CO 2 moi)

511,97

7,1100

7,1.44

4,22.04,

162196,83

44

78.65,9149544

78

CO

(Ở đây 78 và 44 là khối lượng phân tử amoni cacbamat và cacbon đioxit)

Amoniac tiêu hao để tạo thành amoni cacbamat:

70701,18

78

17.2.83,

( Ở đây 17 là khối lượng phân tử ammoniac)

Amoniac không phản ứng còn lại:

162612,72 – 70701,18 = 91911,54 (kg/h)

Urê được tạo thành từ amoni cacbamat:

100 83593,75

67.78

60.83,

Lượng amoni cacbamat không phản ứng:

95,53524100

67100.83,

Nước tách ra khi chuyển hóa amoni cacbamat thành Urê theo phản ứng (2):

13,25078100

67.78

18.83,

Tổng cộng nước thu được trong tháp tổng hợp:

25078,13 + 14972,01 = 40050,14 (kg/h)

Nước tương tác với amoniac dư tạo thành NH4OH, lượng NH4OH là:

27,7787518

35.14,

( Ở đây 35 và 18 là khối lượng phân tử của NH4OH và H2O)

Để tạo thành 77875,27 kg/h NH4OH phải tiêu hao lượng NH3 là:

Tên g ọi Kg/h Tên g ọi Kg/h % Kh ối lượng

Amoniac(m ới và quay

Vào Ra

Dung d ịch muối Amoni

NH 3

CO 2

H 2 O

31756,77 33344,61 14290,55

H 2 O + NH 3 (NH 4 OH) 77875,27

4.1.1 2 Xác định số tháp tổng hợp

Theo cân bằng vật liệu thì lượng các chất vào tháp là 269454,12(kg/h).Thể tích dịch nóng

lỏng Urê được tạo thành: 299,39

900

12,269454

= (m3/h)

( Ở đây 900 là khối lượng riêng của dịch nóng lỏng, kg/m3

)

Để đảm bảo hiệu suất Urê đã chọn thì thời gian lưu lại của dịch nóng lỏng trong tháp phải

là 45 phút Khi đó thể tích phản ứng cần thiết của tháp bằng:

v p =v d.τ = 299 , 39 0 , 75 = 224 , 54m3

(Ở đây 0,75 là thời gian lưu lại của dịch nóng lỏng trong tháp,h)

Tháp được chế tạo hàng loạt cho công nghiệp để tổng hợp Urê có đường kính 2500mm; cao 48000 mm; thể tích ống phản ứng là 196,35m3 Do đó để đảm bảo công suất đã chọn thì số tháp phải có là:

1,52

26,147

54,

224 = ≈2 tháp

Dự trữ công suất của tháp tổng hợp:

31,58(%)

52,1

100)

52,12

Dự trữ công suất ấy chỉ ra rằng, ở những điều kiện đã cho việc trang bị các tháp lớn hơn

thực tế là không hợp lý

4.1.1.3 Tính cân b ằng vật liệu quá trình chưng luyện dịch nóng lỏng Urê cấp 1

Ở chưng luyện cấp 1, phần amoni cacbamat chưa chuyển thành Urê sẽ bị phân hủy và

NH3 dư sẽ bị đuổi ra khỏi dịch nóng lỏng Pha lỏng chứa Urê, amoni cacnamat chưa bị phân hủy, ammoniac và nước được chuyển sang chưng luyện cấp 2, còn pha khí đi vào tháp rửa

Các số liệu ban đầu được cho trong bảng sau:

Thành ph ần dịch nóng lỏng vào chưng luyện (bảng cân bằng vật liệu tổng hợp

Lượng amoni cacbamat bị phân hủy: 53524,95.0,9=48172,46 (kg/h)

Amoni cacbamat khi phân hủy sẽ thoát ra:

Lượng NH3: 20998,25

78

17.2.46,

Lượng CO2: 27174,21

78

44.46,

20998,25 + 82720,39 = 103718,64 (kg/h)

Lượng hơi nước ra theo pha khí:

4059,79

3100

3)

64,10371821

,2717474

,373

−+

Urê 83593,75 31,02 Pha khí (Chuy ển vào tháp

r ửa) Amoni

4.1.1.4 Tính cân b ằng vật liệu quá trình chưng luyện dịch nóng lỏng Urê cấp 2

Ở chưng luyện cấp 2, amoni cacbamt còn lại bị phân hủy hoàn toàn , và đồng thời toàn bộ amoniac dư và cacbon đioxit bị đuổi ra Dung dịch Urê được tạo thành chuyển đi chế

biến thành sản phẩm, còn pha khí đi vào thiết bị ngưng tụ của cấp 2

Các số liệu ban đầu được cho trong bảng sau:

Hàm lượng hơi nước trong pha khí ra khỏi tháp chưng cấp 2 (% thể tích khí

Lượng NH3: 4546,68

78

17.2.62,10430

= (kg/h)

Lượng CO2: 5883,94

78

44.62,

(Ở đây 17 và 44 là khối lượng phân tử ammoniac và cacbon đioxit)

Tổng lượng NH3 bị bốc hơi trong tháp:

9191,15 + 4546,68 = 13737,83 (kg/h)

Thể tích ammoniac và cacbon đioxit bị đuổi ra khỏi tháp (m3/h):

87,559310

.6,4.273.17

101325)

110273.(

4,22.83,

.6,4.273.44

101325)

110273.(

4,22.94

110273(

10.6,4.273.86,

18.11,