Tổn thất urê: 0,029%
Nồng độ acid sunfuric: 97,87%
Thành phần dịch nóng lỏng: xem số liệu dòng ra của thiết bị cô đặc lần 2 (bảng 3.7).
3.8.2 Tính toán
Urê sau khi cô đặc lần 2 có nồng độ cao được đưa vào tháp tạo hạt. Trong quá trình tạo hạt để hạn chế quá trình giải phóng khí amoniac ra môi trường bên ngoài người ta đã sử dụng acid sunfuric để trung hòa khí này đến một lượng nhỏ nhất để đảm bảo an toàn khi thải ra môi trường bên ngoài.
Acid sunfuric với nồng độ 97,87% được phun vào vơi lưu lượng 184 kg/h. Với phương trình phản ứng như sau:
H2SO4 + NH3 = (NH4)2SO4 Lượng NH3 bị trung hòa:
63,8 98
17 2
184x x = kg/h
Lượng NH3 còn lại thoát ra tại tháp tạo hạt: 81,9 – 63,8 = 18,1 kg/h
Lượng muối amoni sunfat tạo thành:
Urê 99673,6 95,56 H2O 4089,7 88,3 Tổng cộng 104309,9 100 CO2 294,9 6,4 NH3 102,4 0,1 Tổng cộng 4632,5 100 Pha lỏng NH3 81,9 0,08 Amoni carbamate
chưa phân hủy - -
H2O 192,3 0,19
Urê 99402,6 99,73 Tổng cộng 99676,8 100
247,8 98
132
184x = kg/h
Muối amoni sunfat sẽ được đóng rắn và tạo hạt với urê. Nước theo dung dịch acid vào thiết bị tạo hạt:
4 100 13 , 2 184x = kg/h
Tổng lượng nước còn lại trong urê: 192,3 + 4 = 196,3 kg/h Lượng urê tổn thất: 28,8 100 029 , 0 6 , 99402 x = kg/h Lượng urê thành phẩm: 99402,6 – 28,8 = 99373,8 kg/h
Bảng 3.8 Lưu lượng dòng vào và ra tại thiết bị tạo hạt
Dòng vào Dòng ra
NH3 81,9 0,08 Chất kg/h %
Acid sunfuric 184 0,18 Khí – hơi
H2O 192,3 0,19 NH3 18,1 36,6 Urê 99402,6 99,54 Urê 28,8 61,4 Tổng cộng 99860,8 100 Tổng cộng 46,9 100 Pha lỏng Muối sunfat 247,8 0,25 H2O 196,3 0,2 Urê 99373,8 99,55 Tổng cộng 99817,9 100
CHƯƠNG 4. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
4.1Thiết bị phản ứng 4.1.1 Các số liệu ban đầu 4.1.1 Các số liệu ban đầu
Nhiệt độ các chất vào tháp phản ứng: NH3: 94oC
CO2: 120oC
Amoni carbamate: 155oC Nhiệt độ trong tháp phản ứng: 190oC Nhiệt độ tới hạn của amoniac: 132,4oC
Nhiệt phản ứng tạo thành urê từ amoni carbamate: 19030 kJ/kmol.
Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt phản ứng chuyển hóa amoni carbamate và độ dư amoniac ở 155 – 210oC
Bảng 4.1 Hiệu ứng nhiệt
Dư amoniac (%) 0 100 200 300
Hiệu ứng nhiệt (kJ/kmol) 14246 18436 20782 22626
Lượng amoni carbamate tạo thành: 205955 kg/h Lượng CO2 vào tháp: 116180 kg/h
Lượng amoniac bơm vào tháp: 96957,7 kg/h
Lượng amoniac carbamate hoàn lưu lại: 131001,7 kg/h
4.1.2 Tính toán cân bằng nhiệt
4.1.2.2 Lượng nhiệt vào
Ta có:
- Entanpi của CO2 ở 200x105 N/m2 và 120oC: 257 - Entanpi của NH3 ở 200x105 N/m2 và 94oC: 454,64
- Entanpi của NH3, CO2, H2O ở 200x105 N/m2 và 155oC lần lượt là 854, 336, 644,5.
- Nhiệt nóng chảy amoni carbamate: 25140 kJ/kmol
Nhiệt theo khí CO2 (nhiệt độ tới hạn 31oC): Q1 = 116180 x 257 = 29858260 kJ/h
Nhiệt theo amoniac lỏng vào:
Q2 = 86957,7 x 454,6 = 39530970,4 kJ/h
Nhiệt phản ứng tạo thành amoni carbamate:
Q3 = 354364219 78 ) 25140 159320 ( 205955x − = kg/h
Nhiệt tạo thành NH4OH:
Q4 = 971312 17 ) 23680 29540 ( ) 2 , 58354 61172 ( − x − = kg/h
Trong đó: 56132,7 là lượng amoniac đi vào tháp dạng muối amoni carbamate; 53548 là lượng amoniac ra khỏi tháp dạng NH4OH;
29540 là nhiệt hòa tan tích phân của 1 kmol amoniac khí vào 1kmol nước lỏng;
23680 là hiệu số entanpi chuẩn của amoniac lỏng và amoniac khí.
Nhiệt vật lý của dung dịch muối amoni carbamate ở 200x105 N/m2 và 155oC:
+ Theo amoniac: 61172 x 854 = 52.240.888 kJ/h
+ Theo khí CO2: 43263 x 336,5 = 14.557.999,5 kJ/h + Theo nước: 24592,7 x 644,5 = 15.849.995 kJ/h
Như vậy nhiệt theo muối amoni carbamate vào tháp tổng hợp: Q5 = 52.240.888 + 14.557.999,5 + 15.849.995
= 82.648882,5 kJ/h Tổng lượng nhiệt vào tháp:
4.1.2.2 Lượng nhiệt ra khỏi thiết bị
Nhiệt tạo thành urê:
Q1 = 31.656.183 60 3 , 99809 19030x = kJ/h
Nhiệt đun nóng amoniac từ 94oC đến 132,4 oC ở 200x105 N/m2, đồng thời chuyển amoniac sang trạng thái khí:
Ta có: Entanpi của CO2 ở 200x105 N/m2 và 94oC: 454,6 Entanpi của CO2 ở 200x105 N/m2 và 132,4oC: 674 Lượng amoniac đã phản ứng: 89775,5 kg/h Q2 = 89775,5 x (674-454,6) = 19.696.744,7 kJ/h Nhiệt đốt nóng CO2 từ 120oC đến 132,4oC Ta có: Entanpi của CO2 ở 200x105 N/m2 và 120oC: 257 Entanpi của CO2 ở 200x105 N/m2 và 120oC: 291 Q3 = 116180 x (291 – 257) = 3.950.120 kJ/h Nhiệt tách CO2 ra khỏi dung dịch amoni carbamate:
Ta có: nhiệt hòa tan của CO2: 24700
Lượng CO2 trong amoni carbamate: 43263 kg/h Q4 = 24286275
44 24700
43263x = kJ/h
Nhiệt để đun nóng amoni carbamate để chuyển thành urê từ 132,4 đến 188oC:
Nhiệt dung riêng của amoni carbamate: 1,954 KJ/kg.độ Q5 = 99809,3 x 1,954(188-132,4) = 10.843.522 kJ/h Nhiệt theo dịch nóng lỏng của urê:
Gọi: mu, mc, ma, và mn lần lượt là lượng urê, carbamate, amoniac và nước nhập vào;
cu, cc, cn lần lượt là nhiệt dung riêng của urê, carbamate và nước; ia là entanpi của amoniac ở 188oC
= 99809,3x2,243x190 + 76203,5x1,954x190 + 58354,2x1292 + 54647,8x860,7 = 193256028,7 kJ/h.
Tổn thất nhiệt của tháp tổng hợp ra môi trường bên ngoài: Q7 = 3 2 1 ) .10 ( − τ − δ λ F t t kJ/h,
Trong đó: λ: hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt, W/m.độ; δ : chiều dày lớp cách nhiệt, m;
t1: nhiệt độ mặt trong của lớp cách nhiệt, oC; t2: nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt, oC; F: diện tích bề mặt thiết bị, m2;
τ : thời gian, s;
Chọn vật liệu cách nhiệt cho tháp phản ứng là gạch điatomit có:
λ=0,128 – 0,186 W/m.độ. Chọn λ= 0,15 W/m.độ Chiều dày của lớp cách nhiệt được tính theo công thức:
q t t ) (1− 2 = λ δ Với q=β(t2 −tk)=β∆t
Trong đó: q: nhiệt tải riêng; W/m2
tk: nhiệt độ của không khí xung quanh, oC;
∆t: độ chênh lệch nhiệt độ giữa lớp cách nhiệt ngoài và không khí, oC β: hệ số cấp nhiệt tổng từ mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí bên ngoài, W/m.độ;
β = 9,3 + 0,058 t2 Chọn t2 = 40oC, tk = 29oC
β = 9,3 + 0,058 x 40 = 11,62 W/m2.độ q = 11,62 x (40 – 29) = 127,8 W/m2
Khi nhiệt độ trong tháp phản ứng là 188oC ta cũng có thể xem là nhiệt độ mặt trong của lớp cách nhiệt
0,174 8 , 127 ) 40 188 ( 15 , 0 ) (1 2 = − = − = q t t λ δ m
Các loại kích thước thường có của gạch điatomit là: 65; 123; 250 mm. Ta chọn gạch có kích thước là 250 mm.
Chiều dày của lớp trác là: 15mm nên ta có chiều dày tổng cộng của lớp cách nhiệt là: 265 mm.
Diện tích mặt ngoài của một tháp:
2
4 2 d dH
F =π + π
Trong đó: d: đường kính trong tháp, d = 2,36 m H: chiều cao tháp, H = 45 m F = 3,14(2,36 +0,265)x45 + 2 4 14 , 3 (2,36 + 0,265)2 = 381,7 m2 Tổn thất nhiệt của tháp: Q7 = 3 2 1 ) .10 ( − τ − δ λ F t t = 11,62 x 381,7 x (40-29) x 3600.10-3 = 175640 kJ/h. Vậy tổng nhiệt ra tháp tổng hợp: Qr = Q1 + Q2 + Q 3 + Q4 + Q5 + Q6 + Q7 = 283.688.873,4 kJ/h
Sự sai lệch cân bằng khi cung cấp amoniac ở 94oC là: 507.373.643,8 – 283.688.873,4 = 223.648.770,4 kJ/h
Bảng 4.2 Nhiệt vào và nhiệt ra tại thiết bị phản ứng.
Nhiệt vào Nhiệt ra
Loại kJ/h Loại kJ/h
Nhiệt theo khí CO2 29.858.260 Nhiệt tạo thành urê 31.656.183
Nhiệt theo NH3 lỏng vào 39.530.970,4 Nhiệt đun nóng NH3 từ 94 đến 132,4oC
19.696.744,7
Nhiệt phản ứng tạo
thành amoni carbamate 354.364.219 Nhiệt đốt nóng CO2 từ 120 đến 132,4oC
Nhiệt tạo thành NH4OH 971.312 Nhiệt đun nóng amoni carbamate để chuyển thành urê từ 132,4 đến 188oC
10.843.522
Nhiệt vật lý của dung
dịch amoni carbamate 82.648.882,5 Nhiệt theo dịch nóng lỏng của urê
193.256.028,7
Nhiệt để tách CO2 ra khỏi dung dịch amoni carbamate. 24.286.275 Tổn thất nhiệt của tháp tổng hợp ra môi trường xung quanh 175.640 Tổng 507.373.643,8 Tổng 283688873,4
4.2 Thiết bị phân hủy và thu hồi cao áp 4.2.1 Các số liệu ban đầu 4.2.1 Các số liệu ban đầu
Nhiệt độ dung dịch nóng lỏng vào: 188oC Áp suất tháp: 148.105 N/m2
Nhiệt độ pha khí ra: 190oC Áp suất pha khí ra: 148.105 N/m2
Nhiệt độ dịch nóng lỏng ra khỏi thiết bị đun nóng: 204oC Áp suất dịch nóng lỏng ra: 148.105 N/m2
4.2.2 Tính toán
4.2.2.1 Lượng nhiệt vào
Nhiệt theo dịch nóng lỏng vào: Q1 = 193.256.028,7 kJ/h Nhiệt theo hơi đốt nóng:
Q2 = a kJ/h
QV = Q1 + Q2
4.2.2.2 Lượng nhiệt ra
Nhiệt theo dịch nóng lỏng của urê:
Gọi: mu, mc, ma, và mn lần lượt là lượng urê, carbamate, amoniac và nước nhập vào;
cu, cc lần lượt là nhiệt dung riêng của urê, carbamate và nước; ia, in là entanpi của amoniac và nước ở 204oC và 148.105 N/m2 Q1 = mucut + mccct + mncn + maia
= 99809,3 x 2,243 x 204 + 28957,33 x 1,954 x 204 + 44932,7 x 1428 + 50912,4 x 858 = 165.059.531kJ/h.
Nhiệt tiêu hao để phân hủy amoni carbamate:
Ta có: Lượng amoni carbamate phân hủy được: 47246,7 kg/h Nhiệt nóng chảy amoni carbamate: 159320 kJ/kmol
Nhiệt tạo thành amoni carbamate rắn: 25140 kJ/kmol
Q2 = 81.275.527 78 ) 25140 159320 ( 17 , 47246 − = kJ/h
Nhiệt tiêu hao để tách amoniac khỏi amoni hidroxit
Ta có:Lượng amoniac trong amoni hidroxit vào hệ thống: 58354,2 kg/h Lượng amoniac ra khỏi hệ thống: 44932,7 kg/h
Nhiệt hòa tan tích phân 1 kmol amoniac khí vào 1 kg nước lỏng: 29540 kJ/kmol.
Nhiệt hòa tan tích phân 1 kmol amoniac khí vào 4,2 kmol nước lỏng: 33330 kJ/kmol. Q3 = 13.304.481 17 33330 7 , 44932 29540 2 , 58354 x − x = kJ/h
Nhiệt ra theo pha khí:
Gọi ma, mc và mhn lần lượt là lượng amoniac, CO2 và hơi nước ra ở pha khí của thiết bị, kg/h
ia, ic, ihn: entanpi của amoniac, CO2 và hơi nước ở 190oC và 148.105N/m2 Q4 = maia + mcic + mhnihn
= 34016 x 1444 + 26651,69 x 408,5 + 3735,4 x 815 = 60.010.054,8 kJ/h
Trong quá trình phân hủy và thu hồi cao áp xem như không so sự tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
Vậy tổng lượng nhiệt ra của quá trình: QR = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
= 319.649.593,8 kJ/h. Ta có phương trình cân bằng nhiêt: QV = QR
193.256.028,7 + x = 319.649.593,8 => x = 126.393.565,1 kJ/h
Vậy lượng nhiệt do thiết bị đun nóng cung cấp: 126.393.565,1 kJ/h Bảng 4.3 Nhiệt vào và nhiệt ra tại cụm phân hủy và thu hồi cao áp
Nhiệt vào Nhiệt ra
Loại kJ/h Loại kJ/h Nhiệt theo dịch nóng lỏng vào 193.256.028,7 Nhiệt ra theo dịch nóng lỏng của urê 165.059.531
Nhiệt theo hơi đốt nóng
126.393.656,1 Nhiệt tiêu hao để phân hủy amoni carbamate
81.275.527
Nhiệt tiêu hao để tách NH3 khỏi NH4OH
13.304.481
Nhiệt ra theo pha khí 60.010.054,8
Tổng 319.649.593,8 Tổng 319.649.593,8
4.3 Thiết bị phân hủy và thu hồi trung áp 4.3.1 Các số liệu ban đầu 4.3.1 Các số liệu ban đầu
Nhiệt độ dung dịch nóng lỏng vào: 204oC Lượng nước bốc hơi: 9864,6 kg/h
Nhiệt độ pha khí ra: 145oC
Áp suất pha khí ra khỏi thiết bị: 20,5.105 N/m2
Nhiệt độ dịch nóng lỏng ra khỏi thiết bị đun nóng: 165oC Áp suất dịch nóng lỏng ra: 20,5.105 N/m2
4.3.2 Tính toán
4.3.2.1 Lượng nhiệt vào
Nhiệt theo dịch nóng lỏng vào: Q1 = 162.464.847 kJ/h Nhiệt theo hơi đốt nóng:
Q2 = a kJ/h
Vậy tổng lượng nhiệt vào: QV = Q1 + Q2
4.3.2.2 Lượng nhiệt ra
Nhiệt theo dịch nóng lỏng của urê:
Gọi: mu, mc, ma, và mn lần lượt là lượng urê, carbamate, amoniac và nước nhập vào;
cu, cc lần lượt là nhiệt dung riêng của urê, carbamate và nước; ia, in là entanpi của amoniac và nước ở 204oC và 148.105 N/m2 Q1 = mucut + mccct + mnin + maia
= 99809,3 x 2,243 x 165 + 5791,43 x 1,954 x 204 + 6503,7 x 1624,8 + 41047,4 x 697,6 = 78.008.015,83kJ/h.
Nhiệt tiêu hao để phân hủy amoni carbamate:
Ta có: Lượng amoni carbamate phân hủy được: 21257,8 kg/h Nhiệt nóng chảy amoni carbamate: 25140 kJ/kmol
Nhiệt tạo thành amoni carbamate rắn: 159320 kJ/kmol Q2 = 39.851.288 78 ) 25140 159320 ( 9 , 23165 x − = kJ/h
Nhiệt tiêu hao để tách amoniac khỏi amoni hidroxit Ta có:
Lượng amoniac trong amoni hidroxit vào hệ thống: 44932,7 kg/h Lượng amoniac ra khỏi hệ thống: 6503,7 kg/h
Nhiệt hòa tan tích phân 1 kmol amoniac khí vào 1 kg nước lỏng: 29540 kJ/kmol.
Nhiệt hòa tan tích phân 1 kmol amoniac khí vào 4,2 kmol nước lỏng: 33330 kJ/kmol. Q3 = 65.326.096,3 17 33330 7 , 6503 29540 7 , 44932 x − x = kJ/h
Nhiệt ra theo pha khí:
Gọi ma, mc và mhn lần lượt là lượng amoniac, CO2 và hơi nước ra ở pha khí của thiết bị, kg/h
ia, ic, ihn: entanpi của amoniac, CO2 và hơi nước ở 190oC và 148.105N/m2 Q4 = maia + mcic + mhnihn
= 47529 x 1574,5 + 13068 x 412 + 9864,6 x 611 = 86.245.697,1 kJ/h
Trong quá trình phân hủy và thu hồi trung áp xem như không so sự tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
Vậy tổng lượng nhiệt ra của quá trình: QR = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
= 269.431.097,2 kJ/h. Ta có phương trình cân bằng nhiêt: QV = QR
161464847 + x = 269.431.097,2 => x = 107.966.250,2 kJ/h
Vậy lượng nhiệt do thiết bị đun nóng cung cấp: 107.966.250,2 kJ/h Bảng 4.4 Nhiệt vào và nhiệt ra tại cụm phân hủy và thu hồi trung áp
Nhiệt vào Nhiệt ra
Nhiệt theo dịch nóng lỏng vào
161.464.847 Nhiệt ra theo dịch nóng lỏng của urê
78.008.015,83
Nhiệt theo hơi đốt nóng
107.966.250 Nhiệt tiêu hao để phân hủy amoni carbamate
39.851.288
Nhiệt tiêu hao để tách NH3 khỏi NH4OH
65.326.096,3
Nhiệt ra theo pha khí 86.245.697,1
Tổng 269.431.097,2 Tổng 269.431.097,2
4.4 Thiết bị phân hủy và thu hồi thấp áp 4.4.1 Các số liệu ban đầu 4.4.1 Các số liệu ban đầu
Nhiệt độ dung dịch nóng lỏng vào: 165oC Lượng nước bốc hơi: 8037 kg/h
Nhiệt độ pha khí ra: 130oC
Áp suất pha khí ra khỏi thiết bị: 5.105 N/m2
Nhiệt độ dịch nóng lỏng ra khỏi thiết bị đun nóng: 151oC Áp suất dịch nóng lỏng ra: 5.105 N/m2
4.4.2 Tính toán
4.4.2.1 Lượng nhiệt vào
Nhiệt theo dịch nóng lỏng vào: Q1 = 78.008015,83 kJ/h Nhiệt theo hơi đốt nóng:
Q2 = a kJ/h
Vậy tổng lượng nhiệt vào: QV = Q1 + Q2
4.4.2.2 Lượng nhiệt ra
Gọi: mu, mc, ma, và mn lần lượt là lượng urê, carbamate, amoniac và nước nhập vào;
cu, cc lần lượt là nhiệt dung riêng của urê, carbamate và nước; ia, in là entanpi của amoniac và nước ở 151oC và 5.105 N/m2 Q1 = mucut + mccct + mnin + maia
=99809,3 x 2,243 x 104 + 1853,3 x 1,954 x 151 + 33046,5 x 632,1 + 1951,1 x 1613,7 = 58.388.697 kJ/h.
Nhiệt tiêu hao để phân hủy amoni carbamate:
Ta có: Lượng amoni carbamate phân hủy được: 3938,2 kg/h Nhiệt nóng chảy amoni carbamate: 25140 kJ/kmol
Nhiệt tạo thành amoni carbamate rắn: 159320 kJ/kmol
Q2 = 6.774.714 78 ) 25140 159320 ( 2 , 3938 x − = kJ/h
Nhiệt tiêu hao để tách amoniac khỏi amoni hidroxit Ta có:
Lượng amoniac trong amoni hidroxit vào hệ thống: 6503,7 kg/h Lượng amoniac ra khỏi hệ thống: 1951,1 kg/h
Nhiệt hòa tan tích phân 1 kmol amoniac khí vào 1 kg nước lỏng: 29540 kJ/kmol.
Nhiệt hòa tan tích phân 1 kmol amoniac khí vào 4,2 kmol nước lỏng: 33330 kJ/kmol. Q3 = 7.475.831,5 17 33330 1 , 1951 29540 7 , 6503 x − x = kJ/h
Nhiệt ra theo pha khí:
Gọi ma, mc và mhn lần lượt là lượng amoniac, CO2 và hơi nước ra ở pha khí của thiết bị, kg/h
ia, ic, ihn: entanpi của amoniac, CO2 và hơi nước ở 130oC và 5.105N/m2 Q4 = maia + mcic + mhnihn