ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT URÊ.DOC

Hiện nay ở nước ta có nguồn nguyên liệu là khí đồng hành có thể dùng sảnxuất khí nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Urê.Nếu sử dụng nguồn nguyên liệu làkhí đồng hành cho việc sản xuất ng

MỞ ĐẦU

Trong công nghiệp việc sản xuất Urê bằng phương pháp tổng hợp từammoniac và khí cacbonic được thực hiện vào năm 1868 do A.I Badarôp đưa ra.Urê là loại phân đạm chứa nhiều hàm lượng Nitơ nhất (46%), có tác dụng tốtđối với việc nâng cao năng suất chất lượng sản phẩm cây trồng

Urê không chỉ được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp mà nó còn được ứngdụng trong nhiều nghành công nghiệp khác như: Công nghiệp sản xuất nhựa, tổnghợp keo, , Ngoài ra Urê có cũng được sử dụng rộng rãi trong nghành công nghiệpdược phẩm và sản xuất sợi

Nước ta là một nước nông nghiệp, trên 70% dân số sống bằng nghề nông.Vìvậy nông nghiệp là một nghành quan trọng cần được đầu tư phát triển để đảm bảovấn đề an ninh lương thực, và trở thành một cường quốc xuất khẩu lương thực, do

đó phân bón phục vụ nông nghiệp là rất quan trọng và cần thiết Nhu cầu phân bón

ở nước ta hiện nay ước tính khoảng 3500000 tấn/năm.(Theo

www.cuctt.mard.gov.vn thống kê năm 2006)

Để đạt được mục tiêu đó thì việc nghiên cứu tìm ra các loại phân bón mới cótác dụng nâng cao nâng suất chất lượng sản phẩm cây trồng và giá thành rẻ là điềurất cần thiết Đồng thời cũng phải nghiên cứu các biện pháp cải tiến công nghệ,thiết bị cũng như việc đầu tư thay thế các dây chuyền sản xuất hiện đại để nângcao năng suất chất lượng và hạ giá thành sản phẩm

Hiện nay ở nước ta năng lực sản xuất phân bón phục vụ nông nghiệp của nhàmáy vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sản xuất nông nghiệp trong nước.Do đó hàngnăm nước ta vẫn phải nhập khẩu một lượng khá lớn phân bón nông nghiệp củanước ngoài

Nguyên liệu để sản xuất Urê là từ NH3 và CO2 Hiện nay ở nước ta có hai nhàmáy sản xuất Urê là nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc ở Bắc Giang và nhàmáy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu

Nhà máy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu sử dụng dây chuyền công nghệcủa hãng Haldor Topsoe ( Đan Mạch) và của hãng Snamprogetti (Ý) đi từ nguồnnguyên liệu ban đầu là khí đồng hành, tạo ra NH3 lỏng và khí CO2 đưa và tổng hợpUrê

Nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc đi từ nguồn nguyên liệu ban đầu làthan đá tạo ra NH3 lỏng và khí CO2, sử dụng dây chuyền công nghệ tuần hoàn lỏngtoàn bộ cho quá trình tổng hợp Urê

Phần tính toán thiết kế Xưởng sản xuất Urê dưới đây, được trình bày dựa trêndây chuyền của Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc

Khối lượng phân tử : 44 (Đ.V.C)

Ở điều kiện thường điôxit cacbon là chất khí không màu Ở 0 C0 khi nén đến

áp suất 35,5 atm thì điôxit cacbon sẽ hoá lỏng Chất lỏng không màu Tiếp tục hạnhiệt độ nó tạo băng CO2 trắng

Trong sản xuât Ure, nguốn nguyên liệu CO2 thường được sản xuất từ than, khíthiên nhiên…Để đạt được yêu cầu về độ sạch của CO2, khí sau khi sản xuất đượctinh chế và làm sạch Trong thành phần khí theo CO2 vào tháp tổng hợp Ure người

ta quan tâm nhất là hàm lượng khí H2S vì nó gây ăn mòn thiết bị rất mạnh và ảnhhưởng đến chất lượng sản phẩm Trong thành phần khí ngoài ra còn có các khíkhác như N2, H2…Hiện nay ở công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc CO2 đượcsản xuất từ than Antraxit

2 Amoniac

Công thức hoá học: NH3

Khối lượng phân tử: 17,03 (Đ.V.C)

Ở điều kiện thường, Ammoniac là chất khí không màu, có mùi khai và xốc Một số hằng số hoá lý cơ bản của Ammoniac:

Amoniac là chất hoà tan tốt trong nước Ở nhiệt độ thường và áp suất ngoàitrời 1 lít nước hoà tan gần 750 lít NH3 khí Ở nhiệt độ thường NH3 rất ổn định, ởnhiệt độ cao  1200 oC thì bị phân huỷ

Trong sản xuất Ure, Ammoniac được điều chế từ N2 , H2 Nồng độ của NH3trong đó rất cao đạt  99,8 % khối lượng Phần còn lại chủ yếu là nước và 1 lượngnhỏ khí hoà tan khác Trong sản xuất Ure thì yêu cầu về nguồn nguyên liệu NH3cho tổng hợp Ure là NH3 lỏng giàu, lượng khí

Nguồn nguyên liệu chủ yếu ở nước ta hiện nay để sản xuất hai khí nguyên liệunày là than, qua nhiều giai đoạn do đó thiết bị sản xuất cồng kềnh Nên chi phí đầu

tư lớn, làm tăng giá thành sản phẩm

Hiện nay ở nước ta có nguồn nguyên liệu là khí đồng hành có thể dùng sảnxuất khí nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Urê.Nếu sử dụng nguồn nguyên liệu làkhí đồng hành cho việc sản xuất nguyên liệu tổng hợp Urê thì chi phí đầu tư sẽgiảm so với dây chuyền sản xuất Urê từ khí nguyên liệu được sản xuất từ than.Xét tình hình cụ thể ở nước ta hiện nay để sản xuất Urê sử dụng nguyên liệu làthan vẫn có hiệu quả tương đối cao bởi một số điều kiện sau:

+ Khí sản xuất khí nguyên liệu thì tiêu thụ một lượng than rất lớn nên giảiquyết được tình trạng trì trệ của nghành than hiện nay do tạo được công ăn việclàm và thu nhập ổn định cho người lao động ngành than

+ Là cơ sở để xây dựng một liên hợp sản xuất nhiều mặt hàng phân bón và hoáchất như Urê, NPK, SODA, DAP, H2SO4, ,

3 Yêu cầu về nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Urê.

a Yêu cầu về NH 3 :

Nguyên liệu dùng trong sản xuất Urê là NH3 lỏng, lượng nước dầu và khí trơhoà tan trong NH3 lỏng càng ít càng tốt.Hàm lượng NH3 trong Amoniac lỏng nóichung không nhỏ hơn 99,8% Hàm lượng khí trơ hoà tan trong NH3 phải thậtnhỏ.Nếu trong NH3 có hoà tan nhiều H2 và N2 thì sau khi vào tháp tổng hợp Urê sẽlàm giảm đáng kể hiệu suất tổng hợp Urê Lượng dầu chứa trong NH3 lỏng khôngđược lớn hơn 15ppm, nếu hàm lượng dầu quá lớn sẽ làm bẩn bề mặt trao đổi nhiệt.Trong NH3 lỏng thường chứa bột xúc tác tổng hợp NH3, bởi vậy phải đuư lọc sạchtrước khi vào tháp tổng hợp Urê, nếu không sẽ che phủ tạo lớp cặn trên bề bặttruyền nhiệt

b Yêu cầu về nguyên liệu CO 2 ;

Khí CO2 dùng cho tổng hợp Urê phải đáp ứng những yêu cầu sau:Nồng độ CO2 ≥ 98,5% khí trơ không tham gia vào phản ứng tổng hợp ≤ 1,5% tạpchất lưu huỳnh < 15 mg/m3 tiêu chuẩn

Hàm lượng lưu huỳnh trong khí CO2 càng nhỏ càng tốt bởi hợp chất sunfua cókhả năng gây ăn mòn rất mạnh đối với các thiết bị sản xuất Urê vì vậy phải khử bỏlưu huỳnh trước khi vào tháp tổng hợp.

Hàm lượng H2 trong khí trơ cần khống chế < 1,2% Nếu hàm lượng H2 tănglên thì ở bộ phân nào đó trong hệ thống tổng hợp Urê sẽ tạo thành NH3 – H2 - O2 làmột hỗn hợp khí nổ rất nguy hiểm khi gặp tia lửa Để ngăn ngừa thiết bị sản xuấtUrê bị ăn mòn trước khi đưa khí CO2 vào tháp tổng hợp người ta đưa vào cùng mộtluợng không khí hoặc oxi nguyên chất chiếm khoảng 2,5% thể tích không khí vàduy trì hàm lượng O2 trong CO2 là 0,5% thể tích

II SẢN PHẨM URÊ.

1 Tính chất vật lý:

Công thức hoá học : (NH2)2CO

Khối lượng phân tử : 70 (Đ.V.C)

Phân Urê hay còn gọi là Cacbamit, là phân có chứa nhiều nitơ nhất ( 46%).Urê tinh khiết là tinh thể màu trắng, tỷ trọng 1,33 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy khoảng132,4oC

Thành phần của phân Urê bao gồm:

- Hàm lượng Urê nguyên chất: 99,2%

HOCN + (NH2)2CO  NH2CONHCONH2 Biure

Hợp chất Biure là thành phần có hại đối với cây trồng, nó làm cây trồng bị bạc

lá Vì vậy cần phải tổng hợp Urê trong điều kiện thích hợp tránh việc tạo Biure

b Độ tan của Urê trong các dung môi:

Urê tan tốt trong nước, rượu và dung dịch amoniac Dung dịch Urê bão hòa ởnhiệt độ to = 20oC có 51,83% (NH2)2CO

Urê tác dụng với các axit tạo thành các muối khác nhau:

- Hợp chất muối Nitrat: (NH2)2CO.HNO3 ít tan trong nước, khi bị đốt nóng

a Trong nông nghiệp:

Urê là loại phân đạm có thành phần Nitơ nhiều nhất (46%) khối lượng, cungcấp một hàm lượng đạm lớn cho cây trồng Urê có thể dung bón cho cây trồng dướidạng rắn, dạng lỏng tưới gốc hoặc sử dụng như phân phun qua lá đối với một sốloại cây trồng Vì vậy phân Urê được sử dụng rất rộng rãi trong nông nghiệp

b Trong công nghiệp:

Urê được dùng làm nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa formandehit

Urê-Urê là thành phần chính của phân hóa học Urê-Urê và được dùng để bổ sung thức

ăn cho động vật, nó cung cấp một nguồn đạm cố định tương đối rẻ tiền để giúp cho

sự tăng trưởng

Được sử dụng để thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay sươngmuối của lòng đường hay đường băng sân bay Nó không gây hiện tượng ăn mònnhư muối

Urê là một thành phần bổ sung cho thuốc lá để thêm hương vị.

Urê là thành phần của dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước thơm

c Trong phòng thí nghiệm:

Urê là chất biến tính protein mạnh Thuộc tính này được sử dụng để làm tăng

độ hòa tan của một số protein Vì tính chất này nó được sử dụng trong các dungdịch đặc tới 10M

Tóm lại Urê có vai trò to lớn trong rất nhiều nghành và trong đời sống conngười, trong đó nhấn mạnh đến vai trò là phân bón trong sản xuất nông nghiệp Vìvậy nghiên cứu, thiết kế dây chuyền sản xuất Urê có ý nghĩa rất quan trọng

PHẦN II

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT URÊ TỪ

I Lựa chọn dây chuyền sản xuất:

Tổng hợp trực tiếp Urê từ NH3 và CO2 bao gồm một số giai đoạn :

1 Phương pháp không tuần hoàn NH3 dư:

Trong dây chuyền sản xuất phâm đạm Urê khi thực hiện quá trình không tuầnhoàn amoniac dư người ta dùng nó để chế biến các sản phẩm phụ khác như: amoninitrat, amoni sunfat, các muối amoni khác hoặc NH3 lỏng Nếu tiến hành sản xuấtUrê theo phương pháp này ta có thể kết hợp để sản xuất các sản phẩm khác, khi đólại cần phải có chi phí đầu tư cho các dây chuyền sản đó

2 Phương pháp bán tuần hoàn:

Trong phương pháp có tuần hoàn amoniac chưa bị chuyển hóa thành Urê thìngười ta tách nó khỏi khí chưng luyện Urê chảy lỏng và cho quay trở lại chu trình.Việc chưng luyện có thể tiến hành một cấp hay hai cấp

Khi chưng luyện một cấp, Urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra được tiết lưu đến1,2 at và được đưa vào chưng luyện ở 70oC Amoniac và sản phẩm phân hủy cácmuối amoni thu được sau khi chưng luyện được đưa vào chế biến thành amoninitrat hoặc các sản phẩm khác Dung dịch Urê được bốc hơi cô đặc, sau đó kết tinh.Khi chưng luyện Urê chảy lỏng hai cấp thì phần lớn Urê chảy lỏng được quaytrở lại chu trình Tăng lượng NH3 dư khi tổng hợp Urê sẽ tăng được phần NH3chưng cấp ở cấp I của chưng luyện và lượng NH3 được chế biến thành NH4NO3 bịgiảm Điều đó cho phép sử dụng lượng NH3 dư trong quá trình tổng hợp lớn hơn so

với chưng luyện một cấp Khí sau khi chưng luyện hai cấp là CO2, NH3 và hơi nước

có thể đem đi chế biến thành amoni nitrat hoặc muối amoni quay lại quá trình

3 Phương pháp tuần hoàn lỏng:

So với các phương pháp khác thì phương pháp sản xuất Urê cùng với sự quaytrở lại toàn bộ các khí chưng luyện chưa hấp thụ ở dạng lỏng được sử dụng phổbiến hiện nay trong công nghệ sản xuất Urê Ưu điểm nổi bật của phương pháp này

so với các phương pháp khác ở chỗ lưu trình đơn giản thiết bị chắc chắn đáng tincậy, định mức tiêu hao có thể giảm tới mức tối thiểu

Hiện nay tồn tại một số phương pháp tái sinh khí chưng luyện nhằm tuần hoànchúng:

Khi hấp thụ NH3 và CO2 bằng dầu khoáng trơ thì huyền phù amoni cacbamatđược tạo thành đi vào tháp tổng hợp Quá trình tổng hợp được tiến hành ở 210 at và

180 0C Mức độ chuyển NH3 và CO2 thành Urê là 40  50%

Nhiều phương pháp dựa vào hấp thụ chọn lọc một trong các cấu tử NH3 và

CO2 đã được đưa ra Ví dụ: hấp thụ chọn lọc NH3 từ các khí chưng luyện bởi dungdịch Urê nitrat (phương pháp INVENTA) Dioxit cacbon không bị hấp thụ, thải đi

hoặc sử dụng lại chu trình Hấp thụ chọn lọc khí CO2 từ khí chưng luyện (phươngpháp CHEMICO) là một ví dụ khác, theo phương pháp này thì quá trình tổng hợpđược tiến hành ở 170 atm và 175  1850C, khi có mặt lượng dư NH3 lớn(NH3/CO2= 6/1); điều đó cho phép nâng cao mức độ chuyển amoni cacbamatthành Urê đến 76% Việc hấp thụ khí CO2 nhờ mono etanol amin Ngày nay đối vớiphương pháp này, chế độ kỹ thuật đã khác đi chút ít Quá trình này đã được tiếnhành dưới áp suất 280 at và ở nhiệt độ 205  232 0C, tỷ số NH3 : CO2 = (4  4,5):1.Hiệu suất Urê khi ấy là 80  85% Tháp tổng hợp được lót bằng zinconi để nângcao độ bền Nhiệt được sử dụng để chế tạo hơi nước Quá trình được tiến hành theohai cấp Việc hấp thụ khí CO2 từ khí chưng luyện được tiến hành chọn lọc bằngmono etanol amin.

Một phương pháp hỗn hợp tuần hoàn các khí trở lại tháp tổng hợp đã đượcnghiên cứu 75% NH3 và CO2 chưa phản ứng được quay trở lại chu trình ở dạngdung dịch của các muối amoni; 25% còn lại nhờ vào hấp thụ chọn lọc Khi hấp thụchọn lọc bằng dung dịch mono etanol amin thì quá trình có thể được thực hiện với

sự tuần hoàn một bộ phận hoặc toàn bộ khí chưng luyện trở lại chu trình

Những phương pháp thực hiện tuần hoàn NH3 và CO2 trở lại chu trình ở dạngdung dịch các muối amoni (tuần hoàn lỏng) là phương pháp triển vọng nhất vì tínhkinh tế của nó Gần đây nhiều hãng sản xuất tiến hành làm việc theo sự cải tiến củaphương pháp này

Để điều chỉnh nhiệt độ, tháp được trang bị một vỏ lạnh Quá trình được tiếnhành trong những điều kiện được kiểm tra nghiêm ngặt thì hiệu suất tổng hợp Urêđạt đến 68%

Quá trình tiến hành chưng luyện Urê được tiến hành theo hai cấp, cấp áp suấtdưới 20 at và gần đến áp suất khí quyển Amoniac và cacbon dioxit quay toàn bộtrở lại chu trình ở dạng dung dịch các muối amoni Quá trình bốc hơi dung dịch Urêđược tiến hành dưới áp suất chân không cho đến khi hàm ẩm 0,6% Sản phẩm thuđược ở dạng hạt có độ tinh khiết cao và có hàm lượng Biure nhỏ

Theo phương pháp Toyo Koatsu (Nhật Bản) thì việc tác dụng tương tác của

NH3 và CO2 theo thông số kỹ thuật khác đi chút ít, áp suất 220  230 at, nhiệt độ

180  190 0C và tỷ số mol NH3 : CO2 = (3,5  4,5) : 1 Khi ấy mức độ chuyển hóa

CO2 thành Urê là 58% Urê chảy lỏng được đưa vào chưng luyện ở 17 atm và 2  3atm Khác với phương pháp Montecatin là trong phương pháp này có một bộ phận

NH3 thoát ra ở cấp chưng luyện thứ nhất ở dạng chảy lỏng tinh khiết, được đưaquay trở lại chu trình Một bộ phận NH3 khác và CO2 được đưa quay trở lại dungdịch ở dạng các muối amoni Thành phẩm được sản xuất không những ở dạng tinhthể nhỏ mà còn ở dạng hạt

Theo phương pháp STEMI CACBON thì quá trình tuần hoàn NH3 và CO2chưa phản ứng được thực hiện như phương pháp TOYO KOATSU Quá trình tổnghợp được tiến hành ở 175  190 0C, áp suất 200 atm và tỷ số mol NH3 : CO2 = 4,5 :

1 Mức chuyển hóa CO2 thành Urê là 62% Quá trình chưng luyện Urê chảy lỏngđược tiến hành theo hai cấp ở các áp suất tương ứng 18 atm và 3 atm Trước khi tạohạt kết tinh dung dịch được bốc hơi đến nồng độ 99,8% CO(NH2)2 trong thiết bịbốc hơi hai cấp Quá trình bốc hơi tiến hành dưới áp suất chân không (ở cấp I ápsuất 300 mmHg, cấp II là 15 mmHg) Urê kỹ thuật thu được trực tiếp từ dung dịch

70  74% đã được chế biến trước bằng than hoạt tính nhằm cải thiện phẩm chấtcủa nó

Ngày nay, hãng STEMI CACBON đã đưa một loạt những cải thiện vàophương pháp này, điều đó đã cho phép hạ thấp hệ số tiêu hao và giá thành của sảnphẩm Theo phương pháp mới quá trình tổng hợp Urê được tiến hành ở áp suất 130atm, nhiệt độ 180 0C và tỷ số mol NH3 : CO2 = 4 : 1, nghĩa là giảm so với khi chưacải tiến Urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra cùng với áp suất ấy được đưa vào thápthổi để phân hủy amoni cacbamat

Amoni dư và sản phẩm phân hủy amoni cacbamat là NH3 và CO2 dạng khíđược thổi khỏi dung dịch chảy lỏng nhờ vào CO2 mới cung cấp vào tháp bằng máynén và chúng được quay trở lại tháp tổng hợp Quá trình chưng luyện hai cấp dưới

áp suất được tiến hành tiếp theo Nhiệt dư được tạo thành khi tổng hợp được sửdụng để sản xuất hơi nước

Hãng TOYO KOATSU đã đề ra phương pháp liên hợp sản xuất NH3 và Urê

hạ thấp đến 6  7 % chi phí kinh doanh và 5  10% đầu tư cơ bản Bản chất củaphương pháp là chế biến CO2 từ khí thu được bởi khí metan và cacbon oxit thành

Urê Hãng INVENTA đề ra phương pháp phân hủy amoni cacbamat một cấp tiếnhành ở 130 0C và áp suất 4 atm Khi ấy việc tuần hoàn đạt đến 99%.

Nhìn chung, hiện nay phương pháp tuần hoàn lỏng toàn bộ và chưng luyện haicấp được sử dụng rộng rãi nhất., với những ưu điểm nổi bật Hiệu suất tổng hợpUrê cao 65  68%, hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao, định mức tiêu hao thấp Dâychuyền sản xuất khép kín, liên tục mà không cần thêm dây chuyền để sản xuất cácsản phẩm chứa amoni khác Trong khuôn khổ trong cuốn đồ án này em được giaothiết kế dây chuyền sản xuất phân xưởng tổng hợp Urê mà không sản xuất các sảnphẩm khác Để tận dụng được toàn bộ nguyên liệu, tránh gây tổn thất, mất mátnguyên liệu trong quá trình sản xuất nên trong cuốn đồ án em chọn dây chuyền sảnxuất Urê theo phương pháp tuần hoàn lỏng để lỏng để tính toán

2 Lựa chọn các điều kiện công nghệ:

Các tiêu chi công nghệ chính của tháp tổng hợp là, áp suất, nhiệt độ,tỷ lệ phân tử

NH3 : CO2, tỷ lệ H2O : CO2, trong nguyên liệu đưa vào tháp tổng hợp

2.1 Áp suất :

Trong thực tế sản xuất do thời gian vật liệu dừng trong thpá bị hạn chế, làm chopha lỏng và pha khí cũng như phản ứng của nguyên liệu phản ứng trước khi ra khỏitháp không thể đạt được trạng thái cân bằng hoàn toàn,vì thế thường là trị số ápsuât hơi nước của nguyên liệu trên đỉnh tháp tổng hợp sẽ cao áp suất khi đạt đượccân bằng Mặt khác khí CO2 đưa vào tháp tổng không đạt được độ thuần 100%,ngoài ra để tránh cho phần lót trong tháp không bị ăn mòn, người ta còn đưa thêmmột phần không khí hoặc oxi, như thế sẽ làm cho áp suất ở đỉnh tháp tăng lên Căn

cứ vào tình hình nêu trên, việc lựa chọn áp suất thao tác của tháp tổng phải lớn hơn

áp suất hơi nước của nguyên liệu trên đỉnh tháp như thế NH3 dư và cacbamat tronghỗn hợp bị phân giải trong pha lỏng Nói chung áp suất thao tác tăng thì hiệu suấtchuyển hoá tăng Nhưng áp suất thao tác không thể tăng vô hạn, bởi suất sau khi

đã tăng tới mức nhất định nếu lại tăng tiếp thì hiệu suất chuyển hoá tăng khôngđáng kể Mặt khác khi tăng áp suất thì tiêu hao động lực cũng tăng lên và yêu cấukết cấu đối với tháp tổng hợp cũng cao Vì vậy việc lựa chọn áp suất thao tác đượclấy theo áp suất cân bằng của hỗn hợp ở đỉnh tháp làm chuẩn và cao hơn 20% tức là

196 ÷ 200 at

2.2 Nhiệt độ:

Nhiệt độ tháp tổng hợp tăng cao, thì tốc độ phản ứng tổng hợp tăng, hằng số cânbằng của phản ứng của cacbamat thoát nước lớn, hiệu suất chuyển hoá tăng.Nhưng khi thành phần nguyên liệu đưa cố định thì nhiệt độ cũng tăng lên đến mộtnhất định cho hiệu suất chuyển hoá tối đa sau đó sự chuyện hoá lại giảm xuống.Điều chủ yếu là khi nhiệt độ tăng thì tốc độ ăn mòn lớp lót bên trong tháp tổng hợpcũng tăng, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ ăn mòn vật liệu là rất rõ rang, khivượt quá nhiệt độ nào đó tốc độ ăn mòn của lớp lót sẽ tăng nhanh Sự lựa chọnnhiệt độ của tháp tổng hộp là lấy khả năng chịu ăn mòn của vật liệu làm nhân tốchính ngoài tốc độ phản ứng để xem xét Vì vậy chúng ta chọn nhiệt độ khoảng

188 ÷ 190 0C

2.3 Tỷ lệ NH 3 : CO 2

Xét về lý thuyết trong điều kiện nhất định thì tỷ lệ NH3 : CO2 lớn thì hiệu suấtchuyển hoá cao và lượng Urê tạo ra cũng cao.Nếu tỷ lệ NH3 : CO2 lớn quá làm chothời gian vật liệu dừng lại trong tháp ruát ngắn sẽ dẫn đến hiệu suất chuyển hoágiảm đi, còn áp suất cân bằng của dung dịch trong tháp sẽ tăng cao khi NH3:CO2lớn quá làm cho hệ thống thu hồi cồng kềnh Việc lựa chọn tỷ lệ NH#:CO2 còn phảitính đến sự cân bằng nhiệt ở nhiệt độ tốt nhất của tháp tổng hợp Thực tế sản xuấtngười ta thường chọn tỷ lệ NH3/CO2 = 4 ÷ 5, khi có nhiều lượng NH3 dư sẽ sớmxuất dịch lỏng và giảm khả năng tạo Biure

2.4 Tỷ lệ H 2 O : CO 2

Việc tăng tỷ lệ H2O : CO2 sẽ có tác dụng không tốt đối với phản ứng tổng hợp Urê,xét về cân bằng hoá học thì có lợi cho phản ứng loại nước khỏi cacbamat để tạothành Urê, mà lại có lợi cho việc thuỷ phân Urê Nếu nhiệt độ của tháp tổng hợp ở

188 0C thì tỷ lệ H2O : CO2 cứ tăng lên 0,1 thì hiệu suất chuyển hoá sẽ giảm đi 1%,như vậy làm cho chất chưa phản ứng tăng lên, dẫn đến tỷ lệ đó trong nguyên liệuđưa vào tăng cao, hiệu suất chuyển hoá càng giảm Tỷ lệ đó trong nguyên liệu đưavào được quyết định bởi lượng nước dung dịch cacbamat đưa vào , và thường lấy

tỷ lệ H2O : CO2 = 0,6 ÷ 0,8

2NH3 + CO2  NH2COONH4 + 38 kcal

Sau đó, amoni cacbamat giải phóng nước và chuyển thành Urê

NH2COONH4  (NH2)2CO + H2O – 6,8 kcal

Quá trình tiến hành với sự tạo thành của hai pha:

- Pha khí gồm: NH3, CO2 và hơi nước

- Pha lỏng gồm: các muối chảy lỏng của amoni cacbamat, Urê và nước

Urê chỉ bền vững trong dung dịch nước ở nhiệt độ nhỏ hơn 80oC, khi cao hơnnhiệt độ này Urê sẽ bị hydrat hóa và chuyển thành amoni cacbamat

(NH2)2CO + H2O  NH2COONH4 – Q

Trong dung dịch loãng thì amoni cacbamat hầu như bị chuyển hoàn toàn thànhcacbonat Nhiệt độ nóng chảy của cacbamat nguyên chất là 152  155oC Khi cómặt các muối cacbonat thì nhiệt độ nóng chảy của cacbamat giảm

Hình 1 Giản đồ tan của hệ H2O – NH2COONH4

100 0

20 30 40 50 60

EC

D

119 120

800

0

0

10002

EC, ED, EA Các điểm trên đường cong giới hạn giữa các trường kết tinh, biểu diễnthành phần dung dịch bão hòa của hai muối tương ứng Điểm E biểu diễn thànhphần dung dịch bão hòa của 3 muối Với quá trình tổng hợp Urê khu vực có muối

cacbamat chảy lỏng là quan trọng nhất Điểm M ở trên giản đồ ứng với 34%(NH2)2CO và 66% NH2COONH4 với nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp là 120 0C,nếu thêm NH3 lỏng vào hỗn hợp thì thành phần của nó sẽ biến đổi theo đường MZ,khi đó tỷ số giữa hai cấu tử (NH2)2CO : NH2COONH4 là không đổi, còn lượng NH3tăng sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của cacbamat, làm tăng vùng lỏng của amonicacbamat Độ tan của amoni cacbamat trong NH3 là không đáng kể Nhưng khi cómặt Urê thì độ tan của nó tăng khá nhanh, điều đó cũng có ý nghĩa quan trọng trongquá trình tổng hợp Urê Như vậy, việc tăng lượng ammoniac cho quá trình tổng hợpUrê sẽ thúc đẩy sự chảy lỏng của cacbamat amon, nghĩa là tăng lượng pha lỏng và

do đó hiệu suất tổng hợp sẽ tăng

1 Cân bằng phản ứng tổng hợp Urê

Theo cơ sở trên, phản ứng tổng hợp Urê được tiến hành trong pha lỏng vớihợp chất trung gian là amoni cacbamat Phản ứng giải phóng nước của amonicacbamat (giai đoạn II của quá trình) là chậm nhất, quyết định tốc độ toàn bộ quátrình

NH2COONH4  (NH2)2CO + H2O – Q

Hằng số cân bằng của phản ứng:

K = [( [ ) ] [ ] ]

4 2

2 2

2

COONH NH

O H x CO NH

Giả sử ban đầu có 1 mol NH2COONH4

Khi cân bằng có x mol Cacbamat được chuyển hoá thành Urê, thì tại thờiđiểm cân bằng:

x x

* 1

Biểu thức tính hằng số cân bằng chỉ đúng khi phản ứng thực hiện đúng theo hệ

số tỷ lượng của phản ứng ban đầu Nghĩa là tỷ số mol NH3/CO2 = 2 Còn khi có lượng dư Amoniac và H20 đưa vào thì công thức trên không còn phù hợp Nếu xét tổng quát quá trình:

2)(NH

CO x NH

O H x CO

K 

Giả sử CO2 đưa vào là 1 mol

NH3 đưa vào là a mol ( a ≥ 1)

H2O đưa vào là b mol

Tại thời điểm cân bằng có x mol CO2 được chuyển hoá thành Urê khi đó thành phần của các cấu tử:

x b x b a

x a

x b a

b x x b a

x K

2

1

* 1

Công thức này phù hợp cho điều kiện thực nghiệm, khi thực hiện ở điều kiện nhiệt độ ≤ 1900C và nó đúng trong trường hợp dư Amoniac không lớn lắm khi tăng lượng dư ammoniac thí sự chênh lệch trong thực tế sẽ tăng lên

Trong đó a – nồng độ amoni cacbamat ban đầu

x – nồng độ amoni cacbamat sau phản ứng

t – thời gian phản ứng

Lượng dư NH3 trong hỗn hợp phản ứng sẽ tác dụng với lượng nước sinh ra,nên tốc độ phản ứng nghịch sẽ giảm và hiệu suất tạo thành Urê sẽ tăng Do đó,phương trình tốc độ phản ứng là:

với x’ là hệ số hoạt tính của H2O

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp.

3.1 Ảnh hưởng của áp suất:

Trong quá trình tổng hợp Urê áp suất không phải là một biến số độc lập mà nó phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần nguyên liệu ban đầu đưa vào tháp

Amoni cacbamat có áp suất hơi cao, do đó mà tổng hợp Urê phải được thựchiện dưới áp suất lớn P = 200  300 atm.Nếu thấp hơn áp suất cân bằng khôngnhững làm NH3 thoát ra làm Amoniac dư trong pha lỏng giảm thấp đồng thời cókhả năng làm cho cacbamat amon bị phân giải từ đó làm giảm hiệu suất chuyển hoá

CO2

Hình 3: Áp suất hơi cân bằng trên Urê chảy lỏng, thu được khi quan hệ theo

tỷ lệ NH3 : CO2 = 2

100 150 200 250 0

100 200 300 400

500 ( C)0

(atm)

1

4

Áp suất hơi trên Urê chảy lỏng phụ thuộc không chỉ vào nhiệt độ chảy lỏng,

mà còn cả quan hệ giữa cấu tử NH3 và CO2 trong hỗn hợp đầu Nó sẽ tăng đột biếnkhi tăng hàm lượng CO2 trong hỗn hợp ban đầu vượt qua tính toán lý thuyết Cònkhi dư NH3 không dẫn đến việc tăng áp suất mạnh như thế

Tốc độ tạo thành amoni cacbamat tăng lên gần như tỷ lệ với bình phương của

áp suất Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ không cao việc tạo thành amoni cacbamattiến hành rất chậm, còn ở 100 atm và 150oC thì phản ứng xảy ra tức thời

Mặt khác theo phương trình tổng quát tổng hợp Urê:

2NH3 + CO2  (NH2)2CO + H2O + Q

Đây là phản ứng toả nhiệt giảm thể tích nên theo nguyên lý chuyển dịch cânbằng thì khi áp suất tăng thì phản ứng xảy ra theo chiều thuận tạo thành Urê nhưvậy hiệu suất chuyển hoá sẽ tăng

Để đảm bảo cho quá trình tổng hợp Urê thì áp suất trong tháp phải lớn hơn ápsuất cân bằng trên bề mặt Amoni Cacbamat chảy lỏng Áp suất của AmoniCacbamat chảy lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ:

t (0C) 77,6 98,5 114,5 130,2 152 183 197

Phơi (atm) 2,98 8,42 18,7 38,4 83,3 150,4 259,9

Tuy nhiên áp suất không thể tăng vô hạn vì khi đo chế tạo thiết bị sẽ tốn kémnên thường chọn áp suất tổng hợp là 200at

3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Mặc dù Urê được tạo thành từ amoni cacbamat chảy lỏng, nhưng quá trình ấylại được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chảy lỏng của amoni cacbamat sạch,bởi vì tùy theo việc đun nóng amoni cacbamat sẽ giải phóng nước và tạo thành Urê.Chính lượng nước đó sẽ làm hạ thấp nhiệt độ nóng chảy của amoni cacbamat Nhiệt

độ nóng chảy của amoni cacbamat cũng giảm rất nhanh khi có mặt Urê

Mặt khác dưới tác dụng của nước một bộ phận cacbamat cũng chuyển thànhamoni cacbonat và sau đó tạo thành Bi cacbonat, những chất đó cũng làm hạ thấpnhiệt độ chảy lỏng của amoni cacbamat

Hình 4: Giản đồ chảy lỏng của hệ NH2COONH4 – (NH2)2CO

Trên giản đồ thấy nhiệt độ nóng chảy của NH2COONH4 bị giảm rất nhanh khi

có mặt (NH2)2CO Hỗn hợp eutectic gồm 51% NH2COONH4 và 49% (NH2)2CO bị chảy lỏng ở 98oC

Khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp thì tốc độ phản ứng xảy ra chậm hơn,động lực của phản ứng giảm Để đảm bảo cho quá trình tổng hợp thì phải luôn giữnhiệt độ của khối phản ứng lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của amoni cacbamat Dovậy khi tổng hợp Urê ở nhiệt độ từ 180  200oC để đảm bảo hiệu suất phản ứng,cân bằng và động lực quá trình mà không ảnh hưởng đến ăn mòn thiết bị

3.3 Ảnh hưởng của độ chứa đầy

Độ chứa đầy là lượng nguyên liệu chứa trong một đơn vị thể tích thiết bị  (g/

3.4 Quan hệ giữa thời gian đun nóng và nhiệt độ với tốc độ tạo

thành Urê, hiệu suất Urê:

Sự phụ thuộc hiệu suất Urê vào thời gian khử amoni cacbamat ở các nhiệt độ

khác nhau, được chỉ ra ở hình 6

20 40 60 2 3 4 5

00,10,20,30,40,50,6

140145

155160

180200

0 0 0

0

0 0

Tốc độ tạo thành Urê và hiệu suất Urê càng cao khi nhiệt độ càng lớn Cao hơn 180oC các đường cong hiệu suất đi qua cực đại, nghĩa là kéo dài thời gian đun nóng hỗn hợp phản ứng thì mức độ chuyển cacbamat thành Urê bị giảm Điều đó được giải thích do những phản ứng phụ tiến hành mạnh mẽ Ngoài ra trên 200oC việc ăn mòn thiết bị tiến hành mạnh mẽ

3.5 Ảnh hưởng của nước sinh ra trong quá trình tổng hợp

Nước tạo thành ở lúc bắt đầu quá trình sẽ làm tăng mức độ chuyển hóa amonicacbamat thành Urê bởi vì nó tạo điều kiện cho sự xuất hiện pha lỏng Nhưng tủytheo mức độ tích luỹ nước mà phản ứng bị chậm lại Cân bằng được xác lập thì việctăng lượng nước về sau sẽ ảnh hưởng ngược lại quá trình

Lượng nước sinh thành được tác dụng với lượng amoniac dư và tạo thành

NH4OH và do đó cân bằng bị phá vỡ và việc tạo thành Urê tiếp tục xảy ra Tuy vậy,

do việc tạo thành NH4OH nên tỷ lệ NH3/CO2 giảm và hiệu suất cân bằng giảm Mộtnguyên nhân nữa là do một phần amon cacbamat tác dụng với nước tạo sản phẩmphụ amoni cacbonat và Bi-cacbonat

3.6 Ảnh hưởng của CO2 đến hiệu suất Urê

Lượng CO2 dư hầu như không ảnh hưởng đến hiệu suất Urê, nhưng nồng độcủa nó trong khí ban đầu lại có ý nghĩa rất lớn Nồng độ càng cao thì mức độchuyển hóa càng lớn

140

(atm)

3.7 Ảnh hưởng của lượng NH3 dư đến hiệu suất Urê

Ảnh hưởng lớn nhất đối với việc tăng hiệu suất Urê là lượng NH3 dư tronghỗn hợp ban đầu với lượng tính toán lý thuyết Amoniac dư làm giảm tác dụng cóhại của nước tách ra trong quá trình Ngoài ra NH3 dư làm giảm ăn mòn thiết bị.Ảnh hưởng của NH3 đến hiệu suất cân bằng của Urê được thể hiện ở hình 9

Hình 9

2 3 4 5 650

607080

Qua thực nghiệm, người ta thấy rằng tỷ lệ mol NH3/CO2 = (4,5  5) : 1 làthích hợp nhất

PHẦN IV ĐIỀU KIỆN TỔNG HỢP URÊ

TRONG CÔNG NGHIỆP

Quá trình tổng hợp Urê trong công nghiệp yêu cầu về chất lượng nguyên liệu:khí CO2 có nồng độ  98% và NH3 lỏng có nồng độ  99% Độ thuần của nguyênliệu có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tổng hợp, đến hiệu suất tạo thành Urê Độthuần mà thấp thì hiệu suất tổng hợp Urê thấp Trong CO2 có một lượng nhỏ H2S,khí này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm Do đó, yêu cầu hàm lượng

H2S trong khí nguyên liệu  5 mg/Nm3 khí

Trong quá trình tổng hợp Urê, để giảm tốc độ ăn mòn thiết bị do hỗn hợp phảnứng, người ta tạo một lớp oxit trên bề mặt thiết bị Tạo lớp oxit bằng cách đưa vàomột lượng O2 theo đường khí nguyên liệu với hàm lượng O2 bằng khoảng 0,5  1%thể tích CO2

Sản xuất Urê bằng phương pháp tuần hoàn lỏng toàn bộ, thì lượng nước đưavào tháp tổng hợp cùng với dung dịch amoni Tổng lượng nước đưa vào tháp tổnghợp là 6  13% Tỷ lệ phối liệu đưa vào tháp:

NH3 : CO2 : H2O = (4,5  5) : 1 : (0,5  1)

Điều kiện công nghệ tổng hợp Urê là nhiệt độ cao và áp suất cao Quá trìnhphát sinh là phát sinh nhiệt Lượng nhiệt này được dùng để gia nhiệt cho dịch tuầnhoàn lại tháp tổng hợp

Trong quá trình tổng hợp nhiệt độ khoảng 180  200oC Nhiệt độ có ảnhhưởng nhiều đến quá trình tổng hợp cân bằng, tốc độ phản ứng, ăn mòn thiết bị…

Do đó cần khống chế nhiệt độ làm việc ở nhiệt độ thích hợp đối với thừng phươngpháp sản xuất

Thời gian lưu lại của hỗn hợp phản ứng trong tháp tổng hợp ở điều kiện 200atm và 190oC khoảng từ 45  60 phút, đảm bảo mức độ chuyển hóa amonicacbamat thành Urê lớn nhất và hạn chế phân ứng phụ

PHẦN V THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT URÊ

TỪ AMONIAC LỎNG VÀ CACBON DIOXIT KHÍ BẰNG

PHƯƠNG PHÁP TUẦN HOÀN LỎNG TOÀN BỘ

NH3 lỏng có áp suất 19,5  20,0 at, nhiệt độ từ 20  30oC được đưa vào bộlọc cơ học (3) để loại những tạp chất rồi vào thùng chứa NH3 (11), thùng chứa luôngiữ mức dịch diện bằng khoảng 2/3 chiều cao thùng Từ thùng chứa này, NH3 đượcdẫn đến bơm NH3 piston cao áp (14) nâng áp suất lên 200 at, đi qua thiết bị gianhiệt (5), nâng nhiệt độ lên 45  50oC rồi đưa vào tháp tổng hợp (7)

Khí CO2 có chất lượng như sau: CO2  98%, H2S  20 mg/Nm3, áp suất 300

 600 mmH2O, nhiệt độ từ 30  40oC Khí CO2 trước khi vào máy nén (1) được bổsung một lượng không khí để khống chế nồng độ O2/CO2 = 0,5% thể tích, được nénqua các đoạn I, II và III nâng lên áp suất P = 33,6 at, được đưa sang tháp khử khí

H2S (2), ra tháp khử đảm bảo hàm lượng H2S  5 mg/Nm3 tiếp tục đưa vào đoạn

IV, đoạn V nâng áp suất khí lên 200 at và nhiệt độ xấp xỉ 110oC, đưa sang tháptổng hợp

Tại tháp tổng hợp xảy ra phản ứng tổng hợp tạo Urê, ở điều kiện P = 200 at vànhiệt độ 188  190oC Hiệu suất chuyển hóa là 65  68%, thời gian lưu lại củanguyên liệu từ 45  60 phút tùy theo phụ tải Dung dịch ra khỏi tháp tổng hợp (4)gồm có Urê, cacbamat, NH3 tự do và nước, qua van tiết lưu giảm áp suất xuống còn16,5  17 at, nhiệt độ khoảng 120oC đưa vào thiết bị chưng luyện cấp I (6) Ở đâyđược phân ly thành 2 pha:

-Phần khí được tách ra được đưa đi gia nhiệt cho phần dưới của thiết bị cô đặccấp I (29) Hơi ra khỏi thiết bị cô đặc cấp I, được đưa vào từ đáy của thiết bị hấpthụ đoạn I (13)

- Phần dịch được đưa qua thiết bị gia nhiệt (7) rồi đi vào thiết bị phân lyđoạn I (7) Tại đây xảy ra quá trình phân giải cacbamat amoni thành NH3

và CO2

Phần khí được tách ra có nhiệt độ cao, được đưa quay trở lại thiết bị phân giảiđoạn I (6), trợ nhiệt cho dung dịch đưa từ tháp tổng hợp sang, rồi cùng với khí tách

ra ở đây đưa sang gia nhiệt cho cô đặc đoạn I (29)

Dịch ra ở thiết bi phân ly (8) đưa qua van tiết lưu lần thứ hai, áp suất giảmxuống còn 2,5  3,5 at, nhiệt độ từ 110  120oC đưa sang phân giải đoạn II (16) Ởphần trên khí được tách ra, bay lên đỉnh thiết bị, dịch qua van tiết lưu lần nữa, giảm

áp suất đến áp suất thường rồi đưa vào thiết bị bốc hơi nhanh (27) Dịch Urê đượcđưa vào cô đặc đoạn I (29), phần dưới được gia nhiệt bằng khí từ chưng luyện (6)đến, còn phần trên dùng hơi nước 12,7 at tăng nhiệt độ dung dịch Urê lên 120 

130oC, qua bốc hơi chân không (31) loại bỏ phần lớn hơi nước Dịch tiếp tục đượcđưa qua cô đặc đoạn II (30), rồi vào phân ly cô đặc đoạn II, dịch Urê thu được ởđây đạt nồng độ đến 99,5% xuống bơm Urê đậm đặc (34), đưa lên đỉnh tháp (41).Nhờ vòi phun tạo hạt, hạt Urê rơi từ đỉnh tháp xuống, ở đỉnh tháp có lắp hai quạt

gió, hút gió ngược chiều từ dưới lên, để làm lạnh hạt Urê, rơi xuống đáy tháp HạtUrê được băng tải đưa đến hệ thống sàng phân loại những hạt không hợp cách HạtUrê hợp cách được dẫn đến bộ làm lạnh và phun chất trợ dung chống đóng cục, sảnphẩm được chuyển qua bộ phận đóng bao, xếp dỡ và kho Phần hạt Urê không hợpcách được đưa qua trở lại thùng chứa dịch Urê (35).

Phần khí ở (28), (30), (32) đưa qua hệ thống các thiết bị ngưng tụ hơi cô đặc

để thu hồi lượng dịch cô đặc đưa về thùng chứa (46), phần khí được phóng không ở(45), dịch thải ở đây được tháo ra rãnh

Phần khí sau khí ra khỏi thiết bị cô đặc đoạn I, được đưa vào đáy tháp hấp thụđoạn I (13) Tại đây khí CO2 được hấp thụ bằng NH3 lỏng từ thùng hoãn xung tạothành dịch cacbamat, đưa vào bơm (9), nâng áp lên 200 at đưa quay trở lại tháptổng hợp (4) Pha khí ra khỏi đỉnh tháp hấp thụ (13) chủ yếu là NH3, hàm lượng

CO2 chỉ còn khoảng 40  50 ppm, khí này được ngưng tụ ở (12a,b,c), NH3 ngưng

tụ được đưa về thùng chứa (11) Khí không ngưng được đưa về hấp thụ khí trơ(17) Tại (15), NH3 khí gần như được hấp thụ triệt để bằng dịch ở (20) Phần dịchhấp thụ ở (15) được đưa về đỉnh của tháp hấp thụ đoạn I (13) để rửa dịch cacbamat Khí ra khỏi đỉnh thiết bị phân giải đoạn II (16), cùng với khí ra khỏi thápchưng (26) được đưa vào hấp thụ đoạn II (19), bằng dịch được bơm từ thùng chứadịch ngưng tụ hơi cô đặc (40) Khí ra khỏi (19) cùng với khí ra từ đỉnh của hấp thụkhí không ngưng (15) (đã qua van giảm áp xuống áp suất thường) đưa vào hấp thụkhí cuối (21) trước khi phóng không ra ngoài

PHẦN VI TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CHẤT VÀ CÂN BẰNG

NHIỆT

Dây chuyền sản xuất Urê năng suất 150.000 tấn/năm

Thời gian dừng máy trong năm:

1 Thời gian dừng đại tu: 30 ngày

2 Thời gian ngừng sửa chữa nhỏ: 10 ngày

3 Thời gian ngừng bất thường: 5 ngày

Thời gian chạy máy trong năm:

365 – (30 + 10 + 5) = 320 ngày

A CÂN BẰNG VẬT LIỆU

Tính năng suất dây chuyền trong thời gian 1 giờ:

150000 : (320  24) = 19,531 tấn/h

I Cân bằng vật liệu cho tháp tổng hợp:

1 Các số liệu ban đầu:

Tổn thất Urê trong quá trình sản xuất (% khối lượng):

- Khi chưng luyện: 5%

- Khi bốc hơi cô đặc: 1% ( trong đó có 0,5% không hoàn lại được)

- Khi kết tinh tạo hạt: 1%

Mức độ tổn thất toàn bộ là: 5 + 1 + 1 = 7%

2 Tính toán:

Do tổn thất Urê trong toàn bộ dây chuyền là 7% , nên muốn thu được 19531

kg Urê trong 1 giờ cần đạt:

Theo hệ số tỷ lượng phương trình (3) ta có:

Lượng tiêu hao hợp thức cho 20898.17 kg Urê:

 NH3: 2  17  19531: 60 = 11067.566 (kg/h)

 CO2: 44  19531 : 60 = 14322.733 (kg/h)

Trong đó 17; 44 và 60 là khối lượng phân tử của NH3; CO2 và (NH2)2CO

Do tổn thất nên lượng các cấu tử đưa vào tháp tổng hợp để có 20259,38 kgUrê là:

17 5 , 4 100 17 , 20898

44 100 17 , 20898

18 7 , 0 100 17 20898

Ta gọi hàm lượng % NH3, CO2 và H2O trong dung dịch muối amoni là   ,

và  Theo số liệu ban đầu:  = 40% Khi đó thành phần dung dịch amoni đượcxác định như sau:

- Mức chuyển hóa amoni thành Urê = 0,65

p - Tổn thất Urê khi chưng luyện và bốc hơi, trừ lượng không hoàn lại được:

Lượng các khí vào theo khí CO2:

Tính cho khí ở điều kiện tiêu chuẩn:

Lượng NH3 tạo thành cacbamat:

41795,998 2 17

78



 = 18218,768 (kg/h)Lượng NH3 không phản ứng còn lại:

Lượng cacbamat không phản ứng:

Lượng nước tách ra khi chuyển hóa cacbamat thành Urê:

41795,998

100 78

65 18





= 6269,399 (kg/h)Lượng nước tổng cộng trong tháp:

Lượng NH3 đã phản ứng tạo NH4OH:

Tổng hợp cân bằng vật liệu cho tháp tổng hợp – Bảng 1

NH3 mới và hồi lưu 30571,656 Urê 20898,17 29,27

10420,5749039,8486591,01326051,435

Cacbamat amon

NH4OHKhí khác

NH3 tự do

14628,59925318,728114,78910475,794

20,4935,460,0914,69

Xác định tháp tổng hợp

Tháp làm việc tại áp suất P = 200.105 N/m2, nhiệt độ to = 190oC

Khối lượng riêng của dung dịch nóng lỏng:  = 900 kg/m3

II Cân bằng vật liệu quá trình chưng phân giải dịch Urê nóng

lỏng cấp I

Ở chưng luyện cấp I, phần amoni cacbamat chưa chuyển thành Urê sẽ bị phânhủy và amoniac dư sẽ bị đuổi ra khỏi dịch nóng lỏng Pha lỏng chứa Urê, amonicacbamat chưa bị phân hủy, amoniac và nước được chuyển vào chưng luyện cấp II.Còn pha khí thì đi vào tháp rửa

1 Các số liệu ban đầu

Áp suất chưng luyện cấp I: 17.105 N/m2

Mức đuổi NH3 dư: 90%

Mức phân hủy amoni cacbamat: 90%

Thành phần dịch nóng lỏng vào tháp chưng luyện:

14628,599 – 13165,739 = 1462,86 (kg/h)

NH3 được đuổi ra:

13021,06 – 1044,638 = 11976,422 (kg/h)

Tổng hợp cân bằng vật liệu chưng phân giải cấp I – Bảng 2

Tên gọi LL (kg/h) % kl Tên gọi LL (kg/h) % klUrê

Cacbamat

20898,1714628,599

29,2720,49

Pha khí chuyển vào tháp rửa

Khí khác

NH3 tự do dư

25318,728114,78910475,794

35,460,0914,69

NH3

CO2Hơi nướcKhí khácTổngPha lỏng sang chưng luyện cấp IIUrê

Cacbamat

NH3 dư

H2OTổng

26235,0277426,827 1044,638114,78934821,271

20898,171462,862277,34611976,42236614,798

75,4621,3630,18100

57,073,996,2232,72100Tổng cộng 71436,08 100 Tổng cộng 71436,08

III Tính cân bằng vật liệu chưng luyện dịch nóng lỏng Urê cấp II

Ở chưng luyện cấp II, amoni cacbamat còn lại bị phân hủy hoàn toàn, đồngthời toàn bộ lượng NH3 và CO2 bị đuổi ra Dung dịch Urê chuyển đến chế biến sảnphẩm, còn pha khí đi vào ngưng tụ cấp II

1 Các số liệu ban đầu:

Lượng Urê bị phân hủy khi chưng luyện là 5% thành phẩm (tính cho 1 giờ):

.

= 1269,515 (kg/h)Lượng nước tiêu hao cho phân hủy Urê trong giai đoạn này:

60

18 55

= 292,965 (kg/h)Lượng cacbamat trong pha lỏng khi Urê bị thủy phân là:

3 273 17

) 110 273 ( 4 22 381 3468

5

x x x x

101325 10

3 273 44

) 110 273 ( 4 22 339 1541

5

x x x

x

Trong đó: 22,4 là thể tích 1 kmol ở điều kiện tiêu chuẩn (m3)

to =110oC là nhiệt độ trung bình của khí bị đuổi ra

P= 101325 (N/m2) là áp suất tại điều kiện tiêu chuẩn

Theo điều kiện đã nêu trên, hơi nước chiếm 30% thể tích khí khô:

62 19921

% 100

 = 65,71%

Tổng hợp cân bằng vật liệu tháp chưng luyện cấp II – Bảng 3

Tên gọi LL (kg/h) % kl Tên gọi LL (kg/h) % kl

57,07 3,996,2232,72

Dung dịchUrê

H2OTổngKhí ra

NH3

CO2

H2OTổng

19921,6210392,75830314,378

3468,3811541,3391290,6996300,419

65,734,3100

55,0524,4620,49100Tổng cộng 36614,798 100 Tổng cộng 36614,797

IV Tính cân bằng vật liệu quá trình bốc hơi dung dịch Urê (Quá trình cô đặc dung dịch)

Quá trình cô đặc Urê được thực hiện qua hai cấp:

 Cấp thứ nhất: bốc hơi được thực hiện trong thiết bị bốc hơi chân không

 Cấp thứ hai: dung dịch được bốc hơi đến nồng độ cuối trong thiết bịbốc hơi cô đặc loại màng

THIẾT BỊ BỐC HƠI CHÂN KHÔNG

1 Số liệu ban đầu

Lượng dịch vào: 30314,378 (kg/h)

Nồng độ dung dịch vào: 65,71%

Độ chân không: 250 mmHg

Nhiệt độ dung dịch vào: 140oC

Nhiệt độ dung dịch ra: 95oC

2 Tính toán

Phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị:

(m1 .c1 + m2 c2) t1 = m1 c3 t2 + (m2 – x).c2 t2 + x r + Qtt

Trong đó: m1 là lượng Urê trong dung dịch, m1 = 19921,62 (kg/h)

m2 là lượng nước trong dung dịch, m2 = 10392,758 (kg/h)

x là lượng nước bị bốc hơi (kg/h)

c1; c3 là nhiệt dung của Urê lần lượt ở 140oC và 95oC [III- 172]

c1 =2,014 kJ/kg.độ; c3 = 1,845 kJ/kg.độ

c2 là nhiệt dung riêng của nước ở các nhiệt độ tương ứng ở 140oC là4,208 kJ/kg.độ; ở 95oC là 4,19 kJ/kg.độ [III – 165]

r là ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 250 mmHg, r = 2293 (kJ/kg)

Qtt là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, Qtt = 1500(kJ/h)

Từ phương trình trên ta có:

2 2

2 2 2 2 3 1 1 2 2 1 1

t c r

Q t c m t c m t c m c