Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 30 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
CO2 bão hòa hơi nước có độ tinh khiết tối thiểu 98,5% thể tích, có nhiệt độ 450C và áp suất 0,18 barg lấy từ phân Xưởng Amoniac được đưa vào bình tách S06119. Tại đây lượng lỏng cuốn theo được tách ra và được đưa về hệ thống thải lỏng, lượng khí CO2 được đưa tới cửa hút cấp 1 của máy nén.
Để bảo vệ thiết bị cao áp không bị ăn mòn, một lượng không khí được thêm vào thông qua bộ điều khiển lưu lượng FV8101 vào cửa hút. Lượng oxi thêm vào chiếm 0,25% thể tích của lượng CO2 nạp liệu.
Máy nén ly tâm bao gồm có 4 cấp trung gian và được chia làm 2 vùng nén thấp áp và cao áp. Sau mỗi cấp đều được trang bị một thiết bị làm mát và một thiết bị tách với mục đích là để làm nguội và tách lỏng trong dòng khí. Nhiệt độ tại cửa hút của cấp nén thứ 4 được khống chế để tránh hiện tượng hóa rắn của CO2. Phần nước ngưng trong các bình tách trung gian được đưa về hệ thống thải lỏng. Lưu lượng thải lỏng được khống chế bằng các van điều khiển mức.
Dòng khí CO2 sau khi đi qua thiết bị tách lỏng S6119, vào đến cửa hút của máy nén có áp suất khoảng 0,12barg, được nén đến khoảng 4,6 barg trong cấp nén đầu tiên, đến khoảng 18,9 barg trong cấp nén thứ hai, đến 69,9 barg trong cấp nén thứ ba và sau cấp nén cuối cùng áp suất lên đến 157 barg.
Hai van FV0201, FV0203 được sử dụng như là 2 đường tuần hoàn khi chạy máy, đồng thời chúng cũng được sử dụng để tránh cho máy nén không bị surging khi công nghệ giao động. Trong trường hợp máy nén lọt vào vùng surge, 2 van này sẽ tự động mở để tuần hoàn một phần CO2 từ cửa ra cửa cấp nén 2 về lại cửa hút cấp nén 1 và cửa ra của cấp nén 4 về lại cửa hút cấp nén 3. Ngoài ra tại đầu ra của mỗi vùng nén người ta còn trang bị các van xả FV0203 để xả khí khi máy nén dừng. Turbin KT6101 chạy bằng hơi nước được sử dụng làm động cơ dẫn động cho máy nén CO2. Lượng hơi nước này được cung cấp bởi mạng hơi của nhà máy. Dòng hơi trung áp quá nhiệt có áp suất 23,5 barg được rút ra từ turbine được sử dụng làm tác nhân cấp nhiệt cho thiết bị phân giải cao áp E06101. Lượng hơi còn lạị sau khi đi qua các tầng cánh turbin sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ hơi nước E06140 sử dụng nước sông có nhiệt độ thấp làm môi chất tải nhiệt ngưng tụ. Hệ thống ngưng tụ này
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 31 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
hoạt động ở áp suất chân không khoảng -0,85 barg. Lượng nước ngưng tụ tại E06140 được bơm P06118A/B bơm về xưởng Phụ trợ để tái sử dụng.
3.4.2. Tổng hợp urê và thu hồi NH3 – CO2 ở áp suất cao
Urê được sản xuất bằng cách tổng hợp từ amoniac lỏng và khí CO2. Trong tháp tổng hợp R06101 thì NH3 và CO2 phản ứng với nhau để tạo thành dạng cacbamate, một phần sẽ bị khử nước để tạo ure và nước. Các phản ứng như sau :
2NH3 + CO2 NH2COONH4
NH2COONH4 NH2CONH2 + H2O
Ở điều kiện tổng hợp (T = 185÷190℃, P = 15,6 MPa, phản ứng thứ nhất xảy ra nhanh và gần như hoàn toàn, phản ứng thứ hai xảy ra chậm và quyết định vận tốc của phản ứng. Phần cacbamat bị tách nước được xác định dựa vào tỷ lệ của các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ và áp suất vận hành, thời gian lưu trong thiết bị phản ứng.
Tỷ lệ mol NH3/CO2 khoảng 3,1~3,6 Tỷ lệ mol H2O/CO2 khoảng 0,5~0,7
Amoniac lỏng nạp liệu vào xưởng urê, từ xưởng amoniac ở 25oC, được lọc qua các thiết bị lọc amoniac S06127A/B, sau đó đi vào tháp thu hồi amoniac C06105 và được tập trung trong bồn chứa amoniac T-06105. Từ T-06105, amoniac được bơm lên áp suất 2,25 MPa bằng bơm tăng áp amoniac P06105 A/B. Một phần amoniac này được đưa tới tháp hấp thụ trung áp C06101, phần còn lại đi vào cụm tổng hợp cao áp.
Amoniac vào cụm tổng hợp được bơm bằng bơm amoniac cao áp P06101 A/B, lên áp suất khoảng 22,9 MPa. Trước khi vào tháp tổng hợp, amoniac được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ amoniac E-06107, và được sử dụng làm lưu chất đẩy trong bơm phun cacbamate J-06101. Hỗn hợp lỏng của Amoniac và cacbamat từ J- 06101 vào đáy tháp tổng hợp, ở đây nó sẽ phản ứng với khí CO2 nạp liệu.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 32 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
CO2 từ xưởng Amonia ở áp suất 0,15 MPa và nhiệt độ 45oC đi vào máy nén CO2 PK-06101 và được nén đến áp suất 157MPa.
Một lượng nhỏ không khí được đưa vào dòng CO2 ở đầu vào máy nén K06101 để thụ động hóa các bề mặt thép không rỉ của các thiết bị cao áp, do đó bảo vệ chúng khỏi ăn mòn do các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng.
Các sản phẩm phản ứng ra khỏi tháp tổng hợp chảy vào phần trên của thiết bị stripper E06101, hoạt động ở áp suất 14,6 MPa. Đây là thiết bị phân hủy kiểu màng trong ống thẳng đứng, trong đó lỏng được phân phối trên bề mặt gia nhiệt dưới dạng màng và chảy xuống đáy nhờ trọng lực. Thực tế, đây là thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống thẳng đứng, với môi trường gia nhiệt ở phía vỏ, và đầu ống được thiết kế đặc biệt cho phép sự phân phối đồng đều dung dịch urê. Thực tế, mỗi ống có một đầu phân phối kiểu lồng (ferrule) được thiết kế để phân phối đều dòng lỏng xung quanh thành ống dưới dạng màng. Các lỗ của đầu phân phối hoạt động như các đĩa; đường kính của các lỗ và đầu phân phối sẽ điều khiển lưu lượng. Khi màng lỏng chảy, nó được gia nhiệt và sự phân hủy cacbamat và bay hơi bề mặt xảy ra. Hàm lượng CO2 trong dung dịch giảm do stripping NH3 khi NH3 sôi. Hơi tạo thành (thực chất là amoniac và CO2) bay lên đỉnh ống. Nhiệt phân hủy cacbamat được cung cấp nhờ sự ngưng tụ hơi bão hòa 2,17 MPa.
Dung dịch thu hồi từ đáy tháp hấp thụ trung áp C06101 sau khi được gia nhiệt sơ bộ sẽ được trộn với dòng khí ra khỏi stripper, đi vào các thiết bị ngưng tụ cacbamate E06105 A/B. Sự ngưng tụ trong hai thiết bị trao đổi nhiệt cho phép sản xuất hơi ở các áp suất khác nhau:
- Thiết bị ngưng tụ cacbamate thứ nhất E06105A sản xuất hơi trung thấp áp 0,55 MPa bão hòa.
- Thiết bị ngưng tụ cacbamate thứ nhất E06105B sản xuất hơi thấp áp 0,34 MPa bão hòa.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 33 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
Trong thiết bị ngưng tụ cacbamat đầu tiên E06105A hỗn hợp giữa khí từ đỉnh thiết bị stripper và dung dịch thu hồi từ đáy tháp hấp thụ trung áp C06101 sẽ bị ngưng tụ một phần sau đó nó đi vào thiết bị ngưng tụ cacbamat thứ hai E06105B, tại đây dòng khí sẽ bị ngưng tụ gần như hoàn toàn (trừ một phần khí trơ) và được tuần hoàn về tháp tổng hợp R-1001 thông qua bơm phun cácbamát J-06101.
Từ đỉnh của bình tách cácbamát S06101, khí không ngưng bao gồm khí trơ (không khí thụ động, khí trơ trong dòng CO2) chứa một lượng nhỏ NH3 và CO2 được đưa trực tiếp vào đáy thiết bị phân hủy trung áp T06122.
3.4.3. Phân hủy Cacbamat và thu hồi NH3 – CO2 trung và thấp áp
Làm sạch urê và thu hồi khí xảy ra trong 2 giai đoạn ở áp suất giảm dần như sau:
- Giai đoạn 1 ở áp suất 1,95 MPa
- Giai đoạn 2 ở áp suất 0,4 MPa.
Các thiết bị trao đổi nhiệt trong đó xảy ra quá trình làm sạch urê được gọi là các thiết bị phân hủy bởi vì trong các thiết bị này xảy ra sự phân hủy cacbamat.
a. Giai đoạn làm sạch và thu hồi thứ nhất ở áp suất 1,95 MPa.
Dung dịch, với hàm lượng CO2 thấp, từ đáy thiết bị stripper E06101, được giãn nở tới áp suất 1,95 MPa và đi vào phần trên thiết bị phân hủy trung áp. Thiết bị này được chia thành 3 phần chính:
- Bình tách đỉnh S06102, ở đây khí nhẹ được tách ra trước khi dung dịch đi vào bó ống.
Thiết bị phân hủy kiểu màng trong ống E06102 A/B, ở đây cacbonat được phân hủy và nhiệt được cung cấp nhờ ngưng tụ hơi 0,55 MPa (ở phía vỏ của phần trên E06102 A) và làm lạnh trực tiếp nước ngưng hơi từ bình tách nước ngưng hơi cho stripper S06109, ở áp suất khoảng 22 barg (ở phía vỏ của phần dưới E06102 B).
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 34 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
Bình chứa dung dịch urê T06122, bình này tập trung dung dịch urê đã làm sạch giai đoạn 1 có nồng độ 60-63%kl.
Các khí không ngưng chứa không khí thụ động từ cụm cao áp sẽ được đưa vào đáy T06122 để thụ động hóa bề mặt đồng thời là tác nhân cho stripping.
Khí giàu NH3 và CO2 ra khỏi đỉnh bình tách (S06102) được đưa vào phía vỏ của thiết bị cô đặc chân không sơ bộ (E06104), ở đó khí được hấp thụ riêng phần trong dung dịch cacbonat đến từ cụm thu hồi thấp áp.
Tổng nhiệt tạo thành từ phía vỏ, do ngưng tụ/hấp thụ/phản ứng của các chất, được dùng để bốc hơi dung dịch urê đến từ giai đoạn làm sạch thứ hai đến nồng độ 80-85%kl, do đó cho phép tiết kiệm đáng kể hơi thấp áp ở giai đoạn cô đặc chân không thứ nhất.
Từ phía vỏ của thiết bị cô đặc chân không sơ bộ E06104, pha hỗn hợp được đưa vào thiết bị ngưng tụ trung áp E06106, tại đây CO2 được hấp thụ gần như hoàn toàn và nhiệt ngưng tụ/phản ứng được lấy đi nhờ nước làm mát.
Từ E06106, hỗn hợp pha chảy vào tháp hấp thụ trung áp C06101, ở đây pha khí tách ra sẽ đi vào bộ phận tinh chế. Đây là tháp hấp thụ kiểu đĩa mũ chóp và xảy ra hấp thụ CO2 và tinh chế NH3.
Các đĩa được nạp liệu bằng dòng hồi lưu amoniac sạch, để cân bằng năng lượng vào cột, và để tách CO2 và H2O có trong dòng khí NH3 và khí trơ bay lên.
NH3 hồi lưu được lấy từ bồn chứa amôniắc T06105 và được đưa vào cột bằng bơm tăng áp amoniac P06105 A/B.
Dòng khí chứa NH3 bão hòa, khí trơ với vài ppm CO2 (20-100 ppm) ra khỏi đỉnh bộ phận tinh chế, được ngưng tụ riêng phần trong thiết bị ngưng tụ amoniac E06109. Từ đây dòng 2 pha được đưa vào bồn chứa amoniac T06105.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 35 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
Dòng không ngưng bão hòa amôniắc rời T06105 bay dọc trong tháp thu hồi amoniac C06105, ở đây một lượng amôniắc được ngưng tụ nhờ dòng amoniac lỏng đến từ giao diện của xưởng urê.
Dòng khí rời đỉnh C06105 bay dọc trong tháp hấp thụ amoniac trung áp E06111, ở đây hàm lượng amoniac được giảm triệt để nhờ dòng dung dịch amoniac loãng ngược chiều hấp thụ khí amoniac. Khi amoniac trong pha khí được hấp thụ, nhiệt tạo thành sẽ làm tăng nhiệt độ của dòng lỏng đi xuống, do đó làm cản trở sự hấp thụ tiếp tục amoniac. Để duy trì nhiệt độ thích hợp, một dòng nước làm mát được cung cấp ở phía vỏ của E06111.
Tháp rửa khí trơ trung áp C06103, được nối vào phần trên của E06111, gồm 3 đĩa van, ở đây khí trơ được rửa lần cuối bằng nước sạch. Hàm lượng amoniac trong dòng khí bay lên nhỏ do đó nhiệt độ ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt hấp thụ. Cuối cùng khí trơ được thu gom vào ống khói.
Từ đáy của E06111, dung dịch NH3-H2O được tuần hoàn lại tháp hấp thụ trung áp C06101 bằng bơm P06107 A/B. Bơm này còn có dòng tuần hoàn dung dịch Amoniac loãng tới phần trên của E06111.
Dòng ra khỏi đáy C06101 được tuần hoàn bằng bơm dung dịch cacbonat cao áp P06102A/B về cụm thu hồi tổng hợp.
b. Giai đoạn làm sạch và thu hồi thứ hai ở áp suất 0,4MPa.
Dung dịch với hàm lượng CO2 rất thấp ra khỏi đáy thiết bị phân hủy trung áp được giãn nở đến áp suất 0,4MPa và đi vào phần trên của thiết bị phân hủy thấp áp. Thiết bị này được chia thành 3 phần chính:
Bình tách đỉnh S06103, ở đây khí nhẹ được tách ra trước khi dung dịch đi vào bó ống.
Thiết bị phân hủy kiểu màng ống E-06103, ở đây cacbonat được phân hủy và nhiệt được cung cấp nhờ ngưng tụ hơi thấp áp bão hòa 0,55 MPa.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 36 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
Bình chứa dung dịch urê T06103, bình này thu gom dung dịch urê đã làm sạch giai đoạn 2 có nồng độ 69-71%kl.
Khí ra khỏi S06103 trước tiên được trộn với hơi từ cụm xử lý nước ngưng công nghệ, và sau đó được đưa vào phía vỏ của thiết bị gia nhiệt sơ bộ amoniac cao áp E-06107, ở đây chúng được ngưng tụ riêng phần. Nhiệt ngưng tụ được thu hồi ở phía ống để gia nhiệt sơ bộ amoniac lỏng cao áp (nạp liệu vào tháp tổng hợp urê).
Dòng phía vỏ của E06107 được đưa vào thiết bị ngưng tụ thấp áp E-06108, ở đây hơi NH3 và CO2 còn lại được ngưng tụ hoàn toàn. Nhiệt ngưng tụ được lấy đi nhờ nước làm mát ở phía ống.
Dung dịch cacbonat khỏi E-06108 được thu hồi vào bồn chứa dung dịch cacbonat T06106. Từ đây dung dịch cacbonat được tuần hoàn về đáy tháp hấp thụ trung áp C-06101 bằng bơm P-06103A/B qua phía vỏ của thiết bị cô đặc sơ bộ E- 06104 và sau đó qua thiết bị ngưng tụ trung áp E-06106.
Một phần nhỏ dung dịch cacbonat thấp áp cũng được dùng làm dòng hồi lưu vào phần tinh chế của tháp chưng T06106.
Khí ra khỏi đỉnh của T06106 sẽ đi vào phần dưới của tháp rửa khí trơ thấp áp C-06104 để giúp điều khiển áp suất của giai đoạn thu hồi thứ hai. C-06104 được nối với phần trên của E-06112, nơi mà nước làm mát được cung cấp để lấy nhiệt hấp thụ.
3.4.4. Cô đặc
Để có thể tạo hạt ure cần cô đặc dịch ure tới khoảng 96%kl. Bước này được thực hiện bởi giai đoạn cô đặc chân không.
Dung dịch urê ra khỏi đáy thiết bị phân hủy thấp áp với nồng độ 69-71%kl trước tiên đi vào phần ống của thiết bị cô đặc chân không sơ bộ E06104. Sau đó được bơm P-06106 đưa tới thiết bị cô đặc chân không E06114. Cả hai thiết bị trên đều hoạt động ở áp suất 0,033 MPa.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 37 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
Trước khi đi vào E06114 dịch ure từ bơm P-06106 A/B được trộn với dịch urê tuần hoàn từ cụm tạo hạt.
Dung dịch urê ra khỏi đáy thiết bị phân hủy thấp áp được giãn nở tới áp suất 0,033 MPa và đi vào phần trên của thiết bị cô đặc chân không sơ bộ. Thiết bị này được chia thành 3 phần chính:
- Bình tách đỉnh S06104, ở đây khí nhẹ được tách ra trước khi dung dịch đi vào bó ống. Hơi được tách ra nhờ hệ thống chân không Z06105.
- Thiết bị cô đặc kiểu màng E-06104, ở đây lượng cacbonat còn lại được phân hủy và nước được bốc hơi. Nhiệt được cung cấp nhờ ngưng tụ riêng phần (phía vỏ) khí đến từ thiết bị phân hủy trung áp.
- Bình chứa lỏng ở đáy T06124, ở đây tập trung dung dịch urê có nồng độ khoảng 80-85%kl.
Dung dịch urê ra khỏi bình chứa T06124 nhờ bơm dung dịch urê P-06106A/B bơm vào đáy thiết bị cô đặc chân không thứ nhất E-06114. Thiết bị này hoạt động ở cùng áp suất như phía ống E-06104 (tức là 0,033 MPa).
Hơi bão hòa áp suất 0,34 MPa được cung cấp vào phía vỏ E-06114 để cô đặc dung dịch urê chảy trong ống.
Hỗn hợp sau khi đi ra khỏi E-06114 sẽ đi vào thiết bị tách chân không