Tiểu luận môn Những quá trình sản xuất cơ bản CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN ĐẠM URE VÀ CÁC CHẤT THẢI ĐẶC TRƯNG, NGUỒN GỐC CỦA CHẤT THẢI

Hiện nay trên thế giới có nhiều công nghệ sản xuất phân bón tiên tiến nhưng đứng trước thực trạng của Việt Nam là một nước đang phát triển khoa học công nghệ chưa thật sự phát triển và đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ BẢN



TIỂU LUẬN

“CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN ĐẠM URE

VÀ CÁC CHẤT THẢI ĐẶC TRƯNG, NGUỒN GỐC CỦA CHẤT THẢI”

Giáo viên hướng dẫn: Th.s.Đinh Bách KhoaSinh viên thực hiện:

*Vũ Trường Minh -20091802

Nguyễn Văn Tuấn -20093011Nguyễn Đỗ Công -20090361Trương Thị Huyền -20091275Đào Duy Thái -20092462

Lớp: Kỹ Thuật Môi Trường-K54

6 tháng 11 năm 2014

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết thành phần chủ yếu của thực vật gồm:O, C, H, N, S, P, Mg, Chúng có thể lấy nguồn dinh dưỡng một số nguyên tố :oxy, nito, sắt, canxi, magie, đồng, và một số hợp chất như CO2, H2O từ đất, nước và không khí.Trong đất và không khí các nguyên tố dinh dưỡng như K, N, P rất ít nhưng các nguyên tố này có giá trị rất lớn đến sự phát triển của thực vật, vì vậy cần được bổ sung vào đất các nguyên tố N,P,K

để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng

Nguồn bổ sung chính của các nguyên tố N,P,K là phân bón hóa học có chứa các hợp chất của N,P, K để tăng khả năng chịu đựng sự biến đổi của thời tiết đối với cây trồng và tăng năng suất, chất lượng sản phẩm do cây trồng tạo ra.Mà như chúng ta đã biết khi sản lượng cây trồng tăng ,sự phát triển của cây trồng tăng thì cây sẽ tiêu thụ nhiều chất dinh dưỡng của đất, khi đó cần phải bón thêm phân khoáng để thỏa mãn nhu cầu của cây trồng

Phân bón có một vai trò vô cùng quan trọng đối với cây trồng, có ảnh hưởng rất lớn đến ngành nông nghiệp và lâm nghiệp- những ngành đòi hỏi một lượng phân bón rất lớn

và phân bón là một trong những yếu tố đóng vai trò quyết định trong năng suất cây trồng.Vì vậy mà ngành sản xuất phân bón đang rất phát triển tại Việt Nam-một nước đang phát triển, nông nghiệp vẫn đóng vai trò cốt yếu trong nền kinh tế

Trong những năm gần đây nhu cầu sử dụng phân bón ngày càng gia tăng tiêu biểu là phân đạm ure và hai nhà máy cung cấp phần lớn phân đạm trên thị trường là nhà máy phân đạm dầu khí Việt Nam (Phú Mĩ) và nhà máy phân đạm Hà Bắc.Hàng năm nhà máy phân đạm Phú Mĩ cung cấp khoảng trên 740.000 tấn ure/năm tương ứng với 40% thị trường cung cấp ure trên cả nước, Hà Bắc chiếm khoảng 8% nhập khẩu chiếm khoảng 50%.Như vậy nhu cấu phân bón nói chung và phân đạm nói riêng là rất lớn và để tăng năng suất thì các nhà máy đã và đang đổi mới công nghệ tạo ra nhiều phân bón có chất lượng tốt, hàm lượng cao

Hiện nay trên thế giới có nhiều công nghệ sản xuất phân bón tiên tiến nhưng đứng trước thực trạng của Việt Nam là một nước đang phát triển khoa học công nghệ chưa thật

sự phát triển và đặc biệt Việt Nam có nguồn than dồi dào nên các nhà máy phần lớn sản xuất phân đạm bằng phương pháp khí hóa nhiên liệu rắn là than.Nhưng trong quá trính sản xuất lại nảy sinh vấn đề chất thải ảnh hưởng đến môi trường.Vì những lí do trên chúng em đã quyết định chọn đề tài “Công nghệ sản xuất phân đạm ure và chất thải đặc trưng, nguồn gốc của nó” làm đề tài nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy Đinh Bách Khoa.Chúng em đã cố gắng hết sức trong quá trình làm, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy chúng em rất mong nhận được những lời góp ý của các thầy

cô và bạn đọc để bài luận của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

2

MỤC LỤC

*Mở Đầu

*Nội Dung

1.Vấn đề nguồn nguyên liệu

2.Sản xuất khí nguyên liệu N2; H2( bằng phương pháp khí hóa nhiên liệu rắn là than)

2.1.Cơ sở khoa học và các phương trình phản ứng.

2.2.Hoạt động của lò khí hóa than và sơ đồ công nghệ sản xuất khí nguyên liệu

2.3.Tinh chế khí nguyên liệu khỏi hợp chất của S

3.Tổng hợp NH3

3.1.Khái quát chung về NH3

3.2.Cơ sở hóa lí của quá trình tổng hợp NH3

b)Ảnh hưởng của áp suất

c)Ảnh hưởng của khí trơ

d)Ảnh hưởng của tốc độ không gian

e)Nhiệt độ

3.3.Quy trình công nghệ sản xuất amoniac

4.Công nghệ sản xuất Ure

4.1.Khái quát về ure

4.2.Công nghệ sản xuất Ure.

5.Chất thải trong quá trình sản xuất phân đạm ure.

*Kết Luận

*Tài Liệu Tham Khảo

4

1.Vấn đề nguồn nguyên liệu [5]

Để tổng hợp NH3 người ta cần có N2 và H2 theo phản ứng:

N2 + H2 = NH3

Nitơ có thể lấy từ không khí (79% N2; 21% O2)

Hidro có thể lấy từ H2O, ngoài ra còn có thể lấy từ khí thiên nhiên CH4 và bằng phương pháp điện phân hoặc khí hóa than ướt (dùng năng lượng của C để phân hủy H2O) Do đó nguồn nguyên liệu tổng hợp NH3 là đi từ than (C); khí thiên nhiên (CH4) và các phương pháp khác (điện phân H2O; từ dầu, )

Mức độ tiêu thụ nguyên liệu vào năm 1990 trên thế giới là:

Nguyên nhân sử dụng nhiều CH4 (khí thiên nhiên từ khí đồng hành, mỏ khí):

*Khí thiên nhiên giàu Hidro

Nếu tính theo tỷ lệ số phân tử H2 đối với 1 phân tử C thì:

12,0-3,0

Bảng 3: Giá sản phẩm NH3 từ nguyên liệu khác nhau

Năng suất 1800T NH3/24h năm 1991 ở Bắc Âu

Giá nguyên liệu $/triệu BTU

Năng lượng tổng, triệu BTU/T NH3

Giá nguyên liệu + năng lượng, $

Giá chi phí khác, $/T NH3

Giá tiền tổng, $/T NH3

Vốn đầu tư, $/T NH3

3.12783.730113.7210

2.145.195.560155.5500

Bảng 4 Nguồn tài nguyên thế giới

Than (tấn) Dầu mỏ (tấn) Khí thiên nhiên (Nm3)

2.1.Cơ sở khoa học và các phương trình phản ứng.

Thông hơi nước và không khí qua tầng than nóng đỏ, hơi nước bị phân hủy thành H2;

O2 cháy với cacbon, còn lại nito.Cuối cùng thu được khí than chủ yếu là N2; H2, ngoài ra còn có CO, CO2

C+H2O = CO+H2-Q1

C+O2+N2 =CO+N2+Q2

Phương pháp này đơn giản, nhưng thiết bị cồng kềnh( bộ phận khí hóa than, tinh chế

H2S), thích hợp các nước có nguồn than dồi dào và trình độ kĩ thuật không cao

2.2.Hoạt động của lò khí hóa than và sơ đồ công nghệ sản xuất khí nguyên liệu

Khí than là danh từ dùng để chỉ hỗn hợp các khí được hình thành khi người ta hóa khí than ở nhiệt độ cao với oxy và hơi nước Hỗn hợp khí này chủ yếu là hydro và cacbon monoxyt Khí than sau khi tạo thành, phải tiến hành tinh chế (bằng các phương pháp như rửa khí, hấp thụ hay hấp phụ) hoặc tách riêng (bằng các phương pháp hóa lỏng, tinh cất v.v ) tùy theo mục đích sử dụng sau này Việc hóa khí than thường kèm theo quá trình

6

tinh chế khí với giá thành khá cao do nguyên liệu có chứa nhiều tạp chất Để hạ giá thành sản phẩm khí đồng thời với việc nâng cao độ tinh khiết của các sản phẩm khí, người ta đã thay thế than đá bằng các nguyên liệu khác như các nhiên liệu dạng lỏng và dạng khí Các phản ứng đặc trưng trong quá trình hóa khí từ các nguyên liệu khác nhau có thể tham khảo bảng dưới đây.

Hoạt động của lò khí hóa than gián đoạn được minh họa trên hình 2.3 và nó vận hành như sau: Trước tiên than cốc được cấp vào lò, đốt và thổi không khí vào theo đường dẫn (1) Khi vùng cháy trong lò đã đạt tới nhiệt độ thích hợp (thường là từ 1000 đến 11000C), người ta ngừng cấp không khí và đóng đường thổi khí lại Lập tức nước được ép vào từ thiết bị cấp nước (4) Khí than hình thành được lấy ra từ cửa (3) và được dẫn tới hệ thống

xử lý, tinh chế và tách khí Khi nhiệt độ giảm xuống khoảng 8000C, người ta lại tiếp tục thổi không khí vào Quá trình được lặp đi lặp lại Nhìn chung lò hóa khí than thường được bố trí điều khiển tự động

Nguyênliệu Các phản ứng đặc trưng ∆E phản ứng (KJ)

Than đá C + O2 = CO2

C + CO2 = 2CO

C + H2O = CO + H2

-406+160+128Nhiên liệu dạng

lỏng

-CH2- + 0,5O2 = CO + H2

-CH2- + H2O = CO + 2H2

-90+152Nhiên liệu dạng

khí

CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2

CH4 + H2O = CO +3H2

-35+206

Đối với nguyên liệu lỏng hoặc khí, lò hóa khí được thiết kế phù hợp để sản xuất liên tục hoặc gián đoạn Dùng không khí để đốt thường cho giá thành thấp; song khí thu được sẽ chứa một lượng khá lớn nitơ Nếu dùng oxy thay thế không khí thì sẽ thu được khí sạch hơn và có nhiệt lượng cháy ngang với khí tự nhiên

Việc khí hóa than có thể thực hiện trong lòng đất; sử dụng từng đoạn vỉa than cách biệt nhau và cũng theo nguyên lý trên

Sản xuất khí than, nếu dùng oxy không khí để đốt để có nhiệt độ cao cho phản ứng phân hủy nước, thì thành phần chủ yếu là H2, N2, CO và một phần nhỏ CO2 Khí than khi cho qua thiết bị trao đổi hồi lưu có xúc tác với hơi nước (như trên hình 2.4), CO sẽ thực hiện phản ứng trao đổi để trở thành CO2 và H2 Như vậy lượng H2 sẽ tăng lên và sau khi tách CO2 thì hỗn hợp khí chỉ còn chủ yếu là N2 và H2 Sản phẩm này có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất amoniac

CO + H2O = CO2 + H2

2.3.Tinh chế khí nguyên liệu khỏi hợp chất của S (bằng A.D.A).

Là phương pháp hiện đang sử dụng tại nhà máy phân đạm Hà Bắc, có cải tiến chút ít bằng đưa thêm dung dịch tanin thiên nhiên (khoảng 66% tanin) một thành phần có nhiều nhóm phenol hoạt tính cao, dễ oxi hóa thành hợp chất quinon Đây là một phương pháp

có hiệu quả, đơn giản, điều kiện công nghệ khá ổn định còn được gọi là phương pháp Stretford Chất hấp thụ chủ yếu là dung dịch 2,6 và 2,7 antraquinon disunfonic và xooda

bổ sung tartrat kali natri (NaKC4H4O6) và khoảng 0,12-0,28% metavanadat natri( Na2VO3) như một chất xúc tác

Phản ứng tiến hành như sau:

H2S + Na2CO3 → NaHS +NaHCO3

2NaHS + 4Na2VO3 + H2O→ Na2V4O9 +2S↓ +4NaOH

Na2V4O9 + 2A.D.A (trạng thái oxi hóa) +2NaOH +H2O→ 4Na2VO3 + 2A.D.A (trạng thái khử)

A.D.A (trạng thái khử) chuyển sang trạng thái oxi hóa trong tháp tái sinh:

A.D.A ở trạng thái khử +2O2→ A.D.A ở trạng thái oxi hóa +2NaOH

Như vậy trong quá trình tái sinh A.D.A, Na2CO3.Na2VO3 đều được tái sinh hình thành dung dịch hấp thụ, tuần hoàn trở lại hấp thu

3.Tổng hợp NH3

3.1.Khái quát chung về NH 3 [6]

Amoniac (NH3) trong điều kiện bình thường là một chất khí không màu có mùi hắc và

có khả năng tác động mạnh đến thần kinh của người và động vật Amoniac nhẹ hơn không khí nhiều (1 lít NH3 chỉ nặng 0.7713 gam), dễ hóa lỏng Ở nhiệt độ 200C, áp suất 8.46 atm amoniac nhưng tụ thành chất lỏng linh hoạt, không màu Một số thông số kĩ thuật về amoniac thể hiện trên bảng dưới đây:

Tỷ trọng Điểm tan

(00C)

Điểm sôi(00C)

Nhiệt hóa hơi, (ở 00C)

Hằng số điện môi

Độ dẫn điện tăng

T tới hạn (00C)0.5963 -77.7 -33.4 302 cal/g 21-23 4.10-10 132.4

Amoniac tan trong nước tỏa nhiệt mạnh; nhiệt hòa tan ở 200C là 8.4 kcal/mol độ tan của amoniac trong nước giảm mạnh theo chiều tăng của nhiệt độ dung dịch Ở nhiệt độ

00C, 1 lít nước có thể hòa tan tới 1176 lít khí NH3, ở 200C giảm xuống chỉ còn 702 lít và

ở 1000C thì độ tan của amoniac trong nước hầu như bằng 0

3.2.Cơ sở hóa lí của quá trình tổng hợp NH 3 [5]

3.2.1)Cân bằng phản ứng

N2 + H2 = 2NH3 + Q

3.2.1.2)Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến cân bằng.

P = const → nhiệt độ càng thấp, nồng độ NH3 càng cao

T = const → áp suất càng cao, nồng độ NH3 càng lớn

Việc tăng P lên quá cao sẽ không có lợi vì nồng độ NH3 tăng không đáng kể mà năng lượng nén khí lại tăng lên nhiều

Thực tế thường tổng hợp NH3 ở nhiệt độ 670-7700K và áp suất 100-1000 atm

3.2.1.3)Ảnh hưởng của tỷ lệ N 2 /H 2

Ở cùng 1 nhiệt độ và ở các áp suất khác nhau, tỷ lệ thích hợp cho cân bằng bảo đảm suốt quá trình là 3

3.2.1.4)Ảnh hưởng của khí trơ (CH 4 + Ar)

Nếu trong hỗn hợp khí ban đầu có khí trơ Ar và CH4 thì các khí trơ này làm giảm áp suất riêng phần của cấu tử phản ứng → chuyển dịch cân bằng về phía trái

*Tóm lại: Biện pháp tăng nồng độ NH3 tại cân bằng

Các kim loại như Fe, Os, U, Mo, Mn, W, và một vài kim loại khác có vành điện tử thứ

2 kể từ ngoài vào không bão hòa điện tử, đều có thể làm xúc tác cho quá trình tổng hợp

tinh thể của Fex, các nguyên tử Fe không cân bằng về mặt năng lượng và tạo thành 1 trường năng lượng xác định hoạt tính xúc tác của Sắt:

- Đây là phản ứng thuộc hệ khí – rắn với cơ chế

+)Phân tử N2 đã được hấp thụ phản ứng với Fe tạo FeN

+)Phân tử H2 + FeN tạo thành hàng loạt các hợp chất phức trung gian trên bề mặt xúc tác dạng FexNH; FexNH2 tiếp đến là FexNH3

+)Chất FexNH3 là phân tử trung hòa và bị phân hủy tạo NH3

b)Ảnh hưởng của áp suất

Khi P↑ → tốc độ phản ứng thuận tăng với P mũ 1.5; còn tốc độ phản ứng nghịch giảm

đi với mũ 0.5 → tốc độ phản ứng tăng

c)Ảnh hưởng của khí trơ.

Khí trơ làm giảm áp suất riêng phần của N2 và H2, ở các áp suất khác nhau và tốc độ thể tích khác nhau, khi tăng nồng độ khí trơ làm nồng độ NH3 ra tháp tổng hợp giảm đi.Người ta đã tính được: Nếu nồng độ khí trơ trong khí tuần hoàn tăng đến 10% thì năng suất của 1m3 xúc tác ở P = 300atm giảm đi 1.43, còn ở P = 500atm giảm đi 1.3 lần

d)Ảnh hưởng của tốc độ không gian

Tốc độ không gian là thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn thổi qua 1 đơn vị thể tích xúc tác trong 1 đơn vị thời gian Có thứ nguyên là h-1

+)Nếu đạt được cùng nồng độ NH3 ra tháp, nếu tiến hành ở áp suất cao cho phép dùng tốc độ không gian lớn và năng suất thiết bị tăng

+)Khi cố định áp suất, ở mỗi một tốc độ không gian tìm được khoảng nhiệt độ để hiệu suất tổng hợp cao (720→7700K)

e)Nhiệt độ

Nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ phản ứng

3.3.Quy trình công nghệ sản xuất amoniac [6]

Sản xuất amoniac được tiến hành dựa trên phản ứng tổng hợp từ khí nito và hidro có xúc tác

Chất xúc tác sử dụng trong công nghệ sản xuất amoniac là sắt oxyt trộn với nhôm oxyt

và kali oxyt (xúc tác được khử về dạng oxyt ngay trong thiết bị tổng hợp amoniac); nhiệt

độ làm việc thích hợp của xúc tác là khoảng 5000C Nhìn vào các giá trị bảng trên ta thấy nhiệt độ cao hơn nhiệt độ làm viêc của xúc tác, cân bằng phản ứng không thuận lợi cho

sự hình thành amoniac Khi NH3 tạo thành kèm theo sự giảm thể tích; do đó để tăng hiệu suất tổng hợp NH3 nên tiến hành phản ứng ở áp suất 25 đến 35 MPa và nhiệt độ trong khoảng 400 đến 5000C Trong điều kiện như vừa trình bày, hàm lượng cân bằng của NH3

hình thành sau một lần tiếp xúc với xúc tác trong tháp phản ứng chỉ vào khoảng 15-20% Chính vì vậy mà khí phản ứng sẽ được tuần hoàn tối đa Hiệu suất phản ứng tỉ lệ thuận với áp suất làm việc

Quá trình tổng hợp amoniac được mô tả như trên sơ đồ hình dưới đây

12

Hình 2.5A.Sơ đồ công nghệ sản xuất amoniac:

1 tháp tổng hợp amoniac; 2 hệ thống trao đổi nhiệt; 3 buồng thu amoniac lỏng I;

4 hệ thống làm lạnh; 5 bơm nén khí; 6 tháp làm lạnh sâu; 7 buồng thu amoniac II

Hình 2.6a.Sơ đồ đường đi của khí trong tháp phản ứng tổng hợp amoniac:

1.cửa hỗn hợp khí nguyên liệu vào 2.tầng xúc tác 3.cửa sản phẩm ra 4.dây điện trở 5.tầng trao đổi nhiệt

14

Theo sơ đồ công nghệ trên thì nito và hidro theo tỉ lượng được dẫn vào tháp tổng hợp (1), tháp này có sơ đồ cấu tạo như trên hình 2.6a Chu trình tổng hợp amoniac trong tháp như sau: Khí nguyên liệu trước hết được sấy nóng lên khoảng 500C nhờ trao đổi nhiệt với tầng vỏ của tháp tổng hợp; sau đó đi qua tầng trao đổi nhiệt (5) với khí từ tầng phản ứng

đi xuống Hỗn hợp khí nguyên liệu được đốt nóng lên tới nhiệt độ khoảng 3000C; sau đó

đi lên tầng phản ứng Trên đường đi hỗn hợp khí được tiếp tục đốt nóng lên tới 4500C bằng năng lượng điện tỏa ra từ dây đốt (4) và được dẫn qua các tầng xúc tác (2) để thực hiện phản ứng tổng hợp amoniac Hỗn hợp khí sau phản ứng sẽ được dẫn qua hệ thống trao đổi nhiệt (2) trên hình 5 để tiếp tục hạ nhiệt độ xuống thấp hơn nữa rồi qua hệ thống làm lạnh (4) để tách một phần NH3 ra khỏi hỗn hợp và lượng amoniac lỏng này được tích

tụ lại tại buồng thu (3) Khí đi ra từ đây chứa chủ yếu là H2, N2 và khoảng 2.5% NH3 sẽ được đưa đến tháp làm lạnh sâu (6) Ở đây hỗn hợp khí được làm lạnh sâu và amoniac được hóa lỏng nốt và được tích tụ lại tại buồng thu (7) Hỗn hợp khí N2 và H2 chưa phản ứng hết được dẫn quay vòng lại tháp phản ứng cùng với khí nguyên liệu bổ sung Tại các tầng phản ứng trong tháp tổng hợp, nhiệt độ luôn được giữ ở 450-5000C và áp suất khoảng 300 atm Hỗn hợp N2 và H2 được quay vòng liên tục cho tới khi chỉ còn 20-30% thì xả (khí xả nghèo nito, hidro nhưng giàu argon và metan được đưa đi sản xuất argon, metan) Nếu điều kiện phản ứng được bảo toàn, mức độ chuyển hóa có thể đạt tới 36%

4.Công nghệ sản xuất Ure

4.1.Khái quát về ure [1]

Urê (cácbamát)

- Urê là loại phân bón giàu đạm, không chứa các chất vô ích

- Urê nguyên chất có chứa 46,8% N, cao hơn so với phân đạm khác (trừ NH3 lỏng), còn trong (NH4)2SO4 chỉ có 21% N;

Các tình chất của urê CO(NH2)2

- Urê dạng tinh thể tinh khiết không có màu, không mùi

Cơ chế phân hủy như sau:

CO(NH2) → NH4OCN (xyanat amoni)

NH4OCN → HOCN (axit xyanic) + NH3

Và axit xyanic tác dụng với urê để tạo thành biurê theo phản ứng:

HOCN + CO(NH2)2 → NH2CO-NH-CONH2

Trong quá trình sản xuất, bảo quản cần tránh khả năng sinh ra biurê nếu vượt quá hàm lượng biurê cho phép thì khi bón cho cây lá sẽ bị mất diệp lục trở thành trắng

*ĐỘ TAN CỦA URÊ TRONG CÁC DUNG MÔI