2.1.1.1 Tổng hợp
Urê là sản phẩm tạo thành từ phản ứng giữa amoniac lỏng và khí CO2. Trong tháp tổng hợp urê CO2 và amoniac phản ứng với nhau tạo amoni cacbamat theo phương trình:
2NH3 + CO2 ↔ NH2COONH4 + 32560 kcal/kmol. (1) Sau đó amoni cacbamat phân hủy tạo urê:
NH2COONH2 ↔ NH2COONH2 + H2O -4200 kcal/kmol. (2)
Ở điều kiện phản ứng: 188-1900C và 152-157 bar thì phản ứng thứ nhất xảy ra nhanh chóng và hoàn toàn còn phản ứng thứ hai xảy ra chậm quyết định tốc độ phản ứng.
Phần amoni cacbamat được xác định dựa vào tỷ lệ các chất phản ứng khác nhau, nhiệt độ tháp phản ứng và thời gian lưu trong tháp tổng hợp.
Tỷ lệ mol H2O/CO2 trong khoảng 0,5 – 0,7.
Phản ứng thứ nhất toả nhiệt mạnh trong khi đó phản ứng thứ hai toả nhiệt yếu và xảy ra trong pha lỏng ở tốc độ chậm.
Hơi nước Khí NH3 CO2 Máy nén 31% NH3 14.6% CO2 20% H2O 34% Urê
Phân giải cao áp (154 bar)
Cô đặc chân không Cấp 2 (-0,97 bar) Phân giải trung áp
(19.5 bar) Phân giải thấp áp
(4 bar)
Tạo hạt (132 0C) Cô đặc chân không Cấp 1 (-0,65 bar)
Tiền cô đặc chân không
Kho Urê rời
Tháp tổng hợp (157 bar) Dung dịch Urê 60-63% khối lượng Dung dịch Urê 69-71% khối lượng Dung dịch urê 99.75% khối lượng Đóng bao
Như đã thấy được ở phản ứng tạo urê thì tỷ số mol lý thuyết là 2 nhưng trong thực tế người ta đã khảo sát thực nghiệm và đã tìm được quy luật sự ảnh hưởng của tỷ lệ NH3/CO2 đến hiệu suất phản ứng tổng hợp urê theo biểu đồ sau (hình 2.2). Khi tăng tỷ lệ mol NH3/CO2 từ 2 đến 9 thì hiệu suất phản ứng tăng từ 40-85%. Nhưng trong những điều kiện khác khi thay đổi tỷ lệ này từ 2 đến 0,5 thì hiệu suất tạo urê là 40-45%.
Biểu đồ đã chỉ sự ảnh hưởng của NH3 đến hiệu suất tạo urê lớn hơn rất nhiều ảnh hưởng của CO2.
Mặc khác hàm lượng CO2 lớn còn ảnh hưởng đến độ ăn mòn thiết bị của dung dịch. Trong thực tế người ta thường chọn tỷ lệ NH3/CO2 trong khoảng từ 2,5 đến 5.
Ảnh hưởng của tỷ lệ H2O/CO2
Phản ứng (2) cho thấy nếu sử dụng lượng nước dư sẽ làm cản trở sự tạo thành urê từ amoni cacbamat. Nhưng nếu hàm lượng nước quá thấp sẽ dẫn đến sự vón cục của amoni cacbamat làm tắt ngẽn đường ống. Do đó việc lựa chọn tỷ lệ nước phải tối ưu.
Thông thường trong công nghiệp người ta chọn tỷ lệ này là 0,4-1.
và nhiệt độ vận hành theo Fréjacques et al. thì độ chuyển hóa tăng tương ứng với sự tăng nhiệt độ nhưng theo Otsuka et al. cho rằng độ chuyển hóa đạt tối đa trong khoảng 196-2000C.
Áp suất cân bằng tăng khi nhiệt độ tăng (hình 2.4).
Hình 2.5 biểu diễn áp suất cân bằng và tỷ lệ NH3/CO2 theo tỷ lệ H2O/CO2. Theo giản đồ, áp suất cân bằng có một điểm cực tiểu khi thay đổi tỷ lệ NH3/CO2 và điểm cực tiểu dịch chuyển đến giá trị NH3/CO2 cao hơn tùy thuộc vào nhiệt độ hoạt động tăng. Chú ý rằng áp suất cân bằng tăng nhanh về phía tỷ lệ NH3/CO2 thấp.
− Phân hủy thấp áp tại cụm phân hủy thấp áp.
Phản ứng phân hủy xảy ra ngược chiều với phản ứng tổng hợp và xảy ra mãnh liệt khi giảm áp hoặc/và tăng nhiệt độ.
Phân hủy
Phản ứng phân hủy là phản ứng xảy ra ngược chiều với phản ứng tổng hợp. Phản ứng xảy ra mãnh liệt khi giảm áp hay tăng nhiệt độ. Tức là để sự phân hủy xảy ra hoàn toàn hơn thì cần có sự can thiệp của hai yếu tố này. Sự phân hủy sẽ tiến hành trong ba giai đoạn cụ thể sau:
− Phân hủy cao áp trong thiết bị stripper cao áp.
Sự phân hủy được tiến hành bằng cách gia nhiệt và tách CO2 bằng cách cho bay hơi lượng dư NH3 ở áp suất thấp hơn một chút so với áp suất tổng hợp. Việc phân hủy ở áp suất cao như vậy sẽ kéo sự tăng cao của nhiệt độ phản ứng kéo theo vấn đề ăn mòn thiết bị, chính vì vậy việc cho NH3 dư là để chống lại sự ăn mòn.
đáy thiết bị.
− Phân hủy trung áp ở thiết bị phân hủy trung áp
Để tăng cường quá trình phân hủy cần thiết phải gia nhiệt cho tới nhiệt độ cao hơn hay giảm áp suất xuống mức thấp hơn.
Thiết bị phân hủy trung áp sẽ cho phép giảm áp suất xuống còn 19,5 bar và nhiệt độ 145-1650C. Hình 3.5 biểu diễn thanh
− Phân hủy thấp áp trong thiết bị phân hủy thấp áp.
Tại thiết bị phân hủy thấp áp thì áp suất và nhiệt độ tương ứng là 4 bar và 1510C. Thu hồi
Khí phân hủy ở mỗi mức áp suất được thu hồi và được đưa tuần hoàn về tháp tổng hợp.
Khí từ thiết bị phân hủy thấp áp được trộn với khí từ cụm xử lý nước ngưng và được ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ amoniac và thiết bị ngưng tụ thấp áp, sau đó được thu hồi dưới dạng dung dịch amoni cacbamat loãng trong bình chứa dung dịch cacbamat.
Khí phân hủy từ thiết bị phân hủy trung áp được trộn với dung dịch cacbamat loãng từ bình chứa của cụm thấp áp, sau đó được làm lạnh và được hấp thụ dưới dạng
Amoniac dư được làm sạch trong thiết bị hấp thụ trung áp và được thu hồi dưới dạng amoniac lỏng trong bình chứa amoniac, từ đó nó được tuần hoàn về tháp tổng hợp thông qua bơm phun tia cacbamat.
Amoniac lỏng từ bình chứa amoniac được đưa vào đỉnh tháp hấp thụ dưới dạng dòng hồi lưu. Theo cách này, nhiệt toả ra do hình thành cacbomat ở đáy tháp hấp thụ có thể thu hồi bằng cách bay hơi NH3 ngưng tụ trước khi đưa vào bình chứa amoniac.
Khí phân hủy từ stripper được trộn với dung dịch cacbamat từ dưới đáy tháp hấp thụ của cụm trung áp trước khi được ngưng tụ và làm lạnh trong các thiết bị ngưng tụ cacbamat và được tuần hoàn về tháp tổng hợp dưới dạng cacbamat đặc. Nhiệt phản ứng hình thành cacbamat trong ống các thiết bị ngưng tụ cacbamat được thu hồi ở vỏ thiết bị ngưng tụ để tạo hơi.
2.1.1.4 Cô đặc
Dung dịch urê ra khỏi giai đoạn phân hủy có áp suất thấp và nồng độ 69÷70% về khối lượng. Để có thể tạo hạt cần phải cô đặc đến 99,75%.
Phương pháp cô đặc được lựa chọn là cô đặc trực tiếp, tức là gia nhiệt dung dịch dưới áp suất chân không để tách nước.
Việc lựa chọn phương pháp cô đặc nối tiếp hai lần một mặt góp phần tăng hiệu suất cô đặc mặt khác nó làm giảm thể tích thiết bị cô đặc. Tại thiết bị cô đặc thứ nhất áp suất được hạ xuống còn 0,28 bar còn nhiệt độ là 1280C sẽ cô đặc tới 95% khối lượng. Và