IV.1. Tổng quan về quá trình tách CO2
Khí công nghệ sau khi qua quá trình chuyển hóa CO được đưa sang tách CO2 nhằm phục vụ 2 mục đích:
- Loại bỏ cấu tử không cần thiết và ảnh hưởng không tốt đến tổng hợp NH3 - Thu CO2 cấp cho quá trình tổng hợp Ure.
Tách CO2 bằng phương pháp hấp thụ sử dụng dung dịch MDEA đã hoạt hóa với thành phần:
- MDEA (metyl dietanol amine): chiếm 37-38% khối lượng.
- Piperazine: chất hoạt hóa, vai trò tăng tốc quá trình chuyển CO2 từ pha khí vào pha lỏng, chiếm 3% khối lượng
- Phần còn lại trong dung dịch là nước.
Các phản ứng xảy ra:
2R2NH + CO2 ↔ R2NH2+ + R2N-COO- (2)
(1) mô tả phản ứng của MDEA, (2) mô tả phản ứng của piperazine.
Quá trình thực hiện theo công nghệ hấp thụ 2 cấp của BASF, sử dụng 2 dòng dung dịch nghèo và bán nghèo (quy ước theo nồng độ CO2 trong dung dịch). Dung dịch nghèo là dung dịch chứa lượng CO2 gần bằng 0, đã được tái sinh bằng hạ áp nhả hấp thụ và chưng cất.
Dung dịch bán nghèo là dung dịch còn chứa nhiều CO2 do chưa qua tái sinh bằng chưng cất.
Khí đầu vào chứa cỡ 18.2% mole CO2 (tính theo khí khô). Phần lớn CO2 được tách ở phía dưới của tháp hấp thụ nhờ dòng dung dịch bán nghèo, phần còn lại được tách nhờ dòng dung dịch nghèo. Ra khỏi tháp hấp thụ nồng độ CO2 còn khoảng 500 ppm (tính theo khí khô).
Hình 9 : Sơ đồ công nghệ công đoạn tách CO2
Có thể chia công nghệ thành 3 công đoạn: hấp thụ, nhả nhấp thụ và chưng tái sinh dung môi thực hiện theo lưu trình như hình trên.
Khí công nghệ được làm lạnh đến cỡ 750C đi vào thiết bị tách nước ngưng V-3004, sau đó đưa vào tháp hấp thụ 2 cấp. Phần dưới của tháp sử dụng dung dịch MDEA chưa qua chưng cất tái sinh (gọi là dung dịch bán nghèo) làm dịch hấp thụ, phần lớn CO2 được tách ở đây. Một lượng nhỏ CO2 còn lại được tách ở phía trên của tháp bằng dung dịch MDEA đã tái sinh (dung dịch nghèo). Theo thiết kế, quá trình hấp thụ thiếu hụt một lượng nước để điều chỉnh bằng nước bổ sung. Dòng nước rửa được đưa vào đỉnh tháp sẽ hấp thụ lượng MDEA bị cuốn theo khí quay trở lại đồng thời đảm bảo cân bằng nước cho quá trình. Khí ra khỏi tháp được đưa sang cụm methane hóa tách triệt để CO và CO2.
Tháp hấp thụ vận hành ở áp suất cỡ 27.5 bar. Dịch giàu ra khỏi đáy tháp đưa sang hệ thống giải hấp thụ gồm 2 tháp hoạt động ở áp suất cao và áp suất thấp. Mục đích của quá trình tái sinh nhằm thu dung dịch bán nghèo và thu CO2 tinh khiết cấp cho tổng hợp ure.
Trước khi vào tháp tách áp suất cao (5.5 bar) V-3002, dung dịch được hạ áp xuống còn 5.9 bar nhờ turbine thủy lực HT-3001. Công sinh nhờ ở turbine sử dụng để chạy bơm dung dịch bán thuần P-3001.
Quá trình nhả hấp thụ ưu tiên nhả phần nhẹ trước nên tại tháp tách áp suất cao thì hầu hết toàn bộ khí trơ gồm N2, H2, CO được loại khỏi dòng khí. Để nhằm loại bỏ triệt để các tạp khí nên người ta chấp nhận để mất một lượng CO2 vào dòng khí trơ ra khỏi V-3002, khí này đưa sang làm nhiên liệu đốt lò reforming sơ cấp. Dòng dịch ra từ đáy V-3002 được đẩy lên V-3001 nhờ sự chênh lệch áp suất giữa hai thiết bị.Tháp tách áp suất thấp V-3001 vận hành ở cỡ
0.28 bar, áp suất này điều chỉnh bằng áp ở bình tách nước ngưng V-3003 đặt ở 0.2 bar.
Dòng CO2 đi ra từ đỉnh tháp có nhiệt độ tầm 720C ở trạng thái bão hòa hơi nước qua thiết bị làm lạnh xuống 450C và tách nước ngưng tụ, phần nước này hồi bơm trở về V-3001 đóng vai trò như dòng nước rửa đỉnh tháp, tránh thất thoát amine và được tháo đi khi lượng nước trong tháp vượt mức cho phép.
Dung dịch sau khi giải hấp thụ ở áp suất thấp vẫn còn chưa một lượng CO2 gọi là dung dịch bán nghèo. Phần lớn được bơm về làm chất hấp thụ ở T- 3002, phần còn lại đưa sang tháp chưng T-3001 để tái sinh thu dung dịch nghèo cấp cho phần trên của tháp hấp thụ. Nhiệt độ của tháp chưng được khống chế nhờ bộ trao đổi nhiệt E-3002 với dòng khí công nghệ ở đáy tháp. Tháp vận hành ở áp suất 0.34 bar. Khí ra khỏi đỉnh tháp đưa về đáy của V-3001 nhằm tăng hiệu quả cho quá trình nhả hấp thụ.
Thành phần các dung dịch cần đảm bảo như sau:
Dung dịch nghèo Dung dịch bán nghèo Dung dịch giàu Lưu lượng (tấn/h) 331 1825 2228 Nồng độ CO2 (%khối lượng) 0.3 5.4 7.6 CO 0 0 1 ppm H2 0 0 16 ppm N2 0 0 40 ppm CH4 0 0 1 ppm Ar 0 0 < 1 ppm MDEA 37.6 35 34.3 Piperazine 3.0 2.8 2.7 H2O 59.1 56.8 55.4
Bảng 7 : Thành phần dung dịch Dòng nước rửa đỉnh tháp có lưu lượng 894 kg/h.
IV.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cụm tách CO2
IV.3.1. Nhiệt độ dòng khí nguyên liệu
Nhiệt độ khí nguyên liệu vào tháp hấp thụ quyết định mức độ tách nước ngưng ở V-3004. Nếu nhiệt độ này nhỏ hơn thiết kế dẫn đến tách nhiều hơn làm mất nước trong dòng dịch có thể dẫn đến mất cân bằng nước. Khi đó cần bổ sung nước bằng dòng nước rửa đỉnh tháp.
Nếu nhiệt độ này cao hơn thiết kế dẫn đến hiệu quả tách không đạt yêu cầu, khi đó có khả năng làm loãng dịch trong tháp.Nhiệt độ thiết kế là 750C được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh dòng nước làm lạnh qua E-3005.
IV.3.2. Áp suất dòng khí nguyên liệu
Quá trình hấp thụ thuận lợi ở nhiệt độ thấp, áp suất cao.Khi áp suất nhỏ hơn áp suất thiết kế sẽ làm giảm hiệu suất quá trình hấp thụ. Khi áp suất lơn hơn áp suất thiết kế thì mức độ hấp thụ có thể tăng nhưng khi đó vận tốc dòng khí tăng có nguy cơ dịch chảy không kịp với tải axit, khi vận tốc khí quá lớn sẽ gây hiện tượng cuốn lỏng trong tháp dẫn đến sặc tháp.
Áp suất này được khống chế nhờ một van ở đỉnh tháp V-3004.Khi thấy áp suất tăng quá mức cho phép, điều khiển van mở xả bớt khí để giảm áp.
IV.3.3. Nhiệt độ dung dịch nghèo
Nhiệt độ thấp thuận lợi cho quá trình hấp thụ nên lượng CO2 trong khí đầu ra sẽ giảm đi, tuy nhiên nhiệt độ thấp làm giảm nhiệt độ dung dịch giàu ra khỏi đáy tháp ảnh hưởng đến quá trình tái sinh.Nhiệt độ cao làm giảm hiệu quả quá trình dẫn đến rò rỉ CO2 tại đỉnh tháp.Nhiệt độ này điều chỉnh bằng dòng nước làm lạnh qua E-3004.
IV.3.4. Lưu lượng dung dịch
Phần lớn CO2 được tách ở phần dưới của tháp bằng dung dịch bán nghèo nên khi lưu lượng dịch bán nghèo không đủ sẽ làm tải axit đối với dung dịch nghèo tăng gây ra mất mát CO2theo dòng khí quá trình đi sang methane hóa. Lưu lượng dung dịch bán nghèo được điều chỉnh bởi một van FIC đặt trên đường ống đẩy của bơm P-3001.
IV.3.5. Nồng độ amine
Khi nồng độ dịch hấp thụ bị loãng làm giảm hiệu suất quá trình hấp thụ, mất CO2. Khi đó cần bổ sung amine bằng cách đưa dung dịch bổ sung vào đáy tháp chưng. Nồng độ dung dịch bổ sung có thể lớn hơn 40%.
IV.3.6. Áp suất bình tách áp suất cao V-3002
Theo nguyên tắc giải hấp thụ, áp suất càng thấp càng tốt để tách hết phần trơ, đảm bảo độ tinh khiết cho sản phẩm.Tuy nhiên nếu thấp quá thì sẽ gây tách quá mức làm mất sản phẩm.Áp suất này được điều chỉnh bằng một van PIC đặt tại đường khí trơ ra khỏi V-3002 (dòng flash gas).
IV.3.7. Quá trình đun sôi dung dịch đáy tháp chưng
Khi nhiệt độ đáy tháp chưng giảm, quá trình bay hơi giảm dẫn đến nồng độ amine không đảm bảo. Đồng thời lượng CO2 đi theo dòng dung dịch đáy tháp tăng, sau khi qua đường ống đến bơm có thể bay hơi tại đầu hút của bơm P-3002 gây hiện tượng xâm thực.
Khi nhiệt độ tăng, quá trình bay hơi diễn ra mạnh hơn, lượng hơi trong đáy tháp tăng, tốc độ hơi cũng tăng lên gây trở lực cho dòng lỏng chảy xuống và phá hủy lớp đệm. Đến một giới hạn nào đó hơi này sẽ cuốn văng lỏng ra ngoài.
Nhiệt độ đáy tháp chưng được điều chỉnh bằng bộ trao đổi nhiệt đáy tháp E- 3002.
IV.4. Thiết bị chính
IV.4.1. Tháp chưng cất T-3001
Tháp đệm sử dụng đệm loại Pall 2’’, chia làm 2 lớp mỗi lớp cao 5m. Đường kính 2.75 m. Chế độ vận hành tại 0.34 bar, nhiệt độ đáy tháp giữ ổn định ở 1120C, khí đi khỏi đỉnh tháp có nhiệt độ 910C. Khi thấy nhiệt độ tại đỉnh tăng có nghĩa nhiệt độ vận hành của tháp đã bị tăng cần khắc phục bằng cách điều chỉnh sự gia nhiệt ở đáy tháp.
Hình 10 : Tháp chưng cất T-3001
Tháp có đường kính 5.2m chứa một lớp đệm Pall 2’’cao 6m. Phía trên có 2 đĩa chóp để tăng tiếp xúc pha giữa dòng nước rửa và dòng khí để thu hồi amine bị cuốn theo.
Hình 11: Tháp tách áp suất thấp V-3001
IV.4.3. Tháp tách áp suất cao V-3002
Hình 12 : Tháp tách áp suất cao V-3002
Tháp có đường kính 4m chứa một lớp đệm Pall 2’’ cao 3m.Trong thực tế, hai tháp V-3001 và V-3002 được xếp chồng (xem sơ đồ công nghệ) nhằm mục đích tăng chiều cao hút cho bơm P-3003, tiết kiệm năng lượng chạy bơm. Khi dòng khí công nghệ đi từ V-3002 đến V-3001 do bị tụt áp trên đường ống dẫn đến đường ống bị rung. Hiện chưa có cách khắc phục hiện tượng này.
Hình 13 : Tháp hấp thụ hai cấp T-3002
Phần dưới của tháp là phần có đường kính lớn 4,38m, chứa 2 lớp đệm Intalox 2’’, mỗi lớp cao 6m. Phần trên có đường kính 2.87m, chứa 2 lớp đệm intalox 1’’, mỗi lớp cao 6.5m. Phía trên có đặt 3 đĩa chóp để tăng tiếp xúc pha giữa dòng khí và dòng nước nhằm thu hồi amine đưa trở lại dòng dịch.
IV.4.5. Bơm tuần hoàn dịch
Bơm dung dịch nghèo: P-3002 A/B, bơm li tâm, công suất 560 kW, chạy bằng mô tơ.
Bơm dung dịch bán nghèo: P-3001 A/B, bơm li tâm, công suất 1830 kW, chạy bằng mô tơ kết hợp với turbine HT-3001. Công suất của turbine là 730 kW.
Khi nhà máy đang vận hành, một bơm chạy tuần hoàn dịch, một bơm để chế độ chờ (auto start) với năng suất như nhau. Mục đích để khi có sự cố xảy ra làm chết bơmhoặc do người vận hành chủ động dừng bơm thì bơm kia tự động chạy đảm bảo luôn có dòng dịch tuần hoàn.