Các công đoạn chính:
Công đoạn nén CO2
Tổng hợp urê và thu hồi CO2 ở áp suất cao..
Công đoạn tinh chế urê và thu hồi NH3 ở áp suất trung bình và áp suất thấp.
Công đoạn cô đặc, tạo hạt Xử lý nước thải. Hình 3.6 Sơ đồ công nghệ sản xuất urê 3.3.1. Công đoạn nén CO2 CO2 bão hòa hơi nước có độ tinh khiết tối thiểu 98,5% thể tích, có nhiệt độ 450C và áp suất 0.18barg lấy từ phân Xưởng Amonia được đưa vào bình tách 20- V- 2017. 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.
thêm vào thông qua bộ điều khiển lưu lượng FV-1002 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 V-1017, 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 FV-1001, 1013 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 HV- 1001, PV-1017 để xả khí khi máy nén dừng.
Turbin 20-STK-1001 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 E-1001. Lượng hơi còn lạị sau khi đi qua các tầng cánh turbin sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ hơi nước E-1022 sử dụng nước sông có nhiệt độ thấp làm môi chất tải nhiệt ngưng tụ. Hệ thống ngưng tụ này hoạt động ở áp suất chân không khoảng -0.85 barg. Lượng nước ngưng tụ tại 20-E-1022 được bơm 20- P-1018A/B bơm về xưởng Phụ trợ để tái sử dụng.
3.3.2. Tổng hợp urê và thu hồi NH3 - CO2 cao áp:
Urê được tạo thành qua phản ứng tổng hợp từ NH3 (lỏng) và CO2 (khí) trong tháp tổng hợp urê R-1001. NH3 và CO2 phản ứng tạo thành ammonicacbamat, một phần ammonicacbamat tách nước tạo thành urê
Các phản ứng xảy ra như sau:
2 NH3 + CO2 NH2COONH4
NH2COONH4 (NH2)2CO + H2O
Trong điều kiện phản ứng T = 188-190 0C, P = 152 – 157 barg. Phản ứng thứ nhất xảy ra nhanh chóng và hoàn toàn, phản ứng thứ hai xảy ra chậm nên quyết định vận tốc phản ứng.
Phần ammonicacbamat tách nước được xác định bằng tỉ lệ các chất phản ứng khác nhau, nhiệt độ phản ứng và thời gian lưu trong tháp tổng hợp.
Tỉ lệ mol NH3/CO2 trong khoảng 3,3 đến 3,6 Tỉ lệ mol H2O/CO2 trong khoảng 0,5 đến 0,7
Ammonia lỏng nạp liệu vào xưởng urê được cho qua bộ lọc FL- 1002A/B. Sau đó đi vào tháp thu hồi ammonia T-1005 và được tập trung trong bồn chứa V-1005. Từ bồn chứa V-1005, ammonia được bơm lên áp suất 22 barg bằng bơm tăng áp P-1005A/B. một phần ammonia này được đưa đến tháp hấp thu trung áp T-1001, phần còn lại đi vào cụm tổng hợp cao áp.
Ammonia vào cụm tổng hợp được bơm bằng bơm ammonia cao áp P- 1001A/B lên áp suất 220 barg. Trước khi vào tháp tổng hợp, ammonia được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ ammonia E-1007 và được sử dụng làm
lưu chất đẩy trong bơm phun cacbamat J-1001, tại đây cacbamat từ bình tách cacbamat V-1001 được đẩy lên áp suất tháp tổng hợp. Hỗn hợp lỏng ammonia và cacbamat đi vào tháp tổng hợp urea, tại đây hỗn hợp này sẽ phản ứng với dòng CO2 nạp liệu.
CO2 từ xưởng ammonia ở áp suất 0,18 barg và nhiệt độ 45 0C đi vào máy nén K-1001 và đi ra với áp suất 157 barg.
Một lượng nhỏ không khí được đưa vào dòng CO2 ở đầu vào máy nén K-1001 để thụ động hoá các bề mặt thép không rĩ của các thiết bị cao áp, do đó bảo vệ chúng khỏi bị ăn mòn do các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng. Hỗn hợp sản phẩm phản ứng ra khỏi tháp tổng hợp R-1001 được cho vào phần trên của thiết bị stripper E-1001 hoạt động ở áp suất 147 barg. Đây là thiết bị phân huỷ 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 phân phối đồng đều hỗn hợp dịch sau phản ứng. Thực tế mỗi một 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. Đường kính các lỗ của đầu phân phối có tác dụng phân phối và điều khiển lưu lượng chảy qua lỗ. Khi màng lỏng chảy nó được gia nhiệt và sự phân huỷ cacbamat xảy ra. Hàm lượng CO2 trong dung dịch giảm do Stripping NH3 khi NH3 sôi, hơi tạo thành thực chất là NH3 và CO2 bay lên đỉnh ống trao đổi nhiệt. Nhiệt phân huỷ cacbamat được cung cấp nhờ sự ngưng tụ hơi bão hòa 21,8 barg.
Dòng hỗn hợp giữa khí từ đỉnh thiết bị E-1001 và dung dịch thu hồi từ đáy tháp hấp thụ trung áp T-1001 đi vào các thiết bị ngưng tụ cacbamat E- 1005A/B. Ở đây chúng ngưng tụ và được tuần hoàn về tháp tổng hợp R-1001 thông qua bơm phun cacbamat J-1001.
hơi bão hòa 4,9 barg ở phía vỏ của thiết bị ngưng tụ cacbamat E-1005A. Và hơi 3,4 barg ở phía vỏ của thiết bị E-1005B.
Từ đỉnh của bình tách V-1001 khí không ngưng bao gồm khí trơ (không khí thụ động) chứa một lượng nhỏ NH3 và CO2 được đưa trực tiếp vào đáy thiết bị phân huỷ trung áp E-1002.
Hình 3.7 Sơ đồ quy trình tổng hợp và thu hồi cao áp
3.3.3 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 trung & thấp áp
Làm sạch urea và thu hồi khí xảy ra trong hai giai đoạn giảm áp suất như sau:
• Giai đoạn 1 ở áp suất 18,5 barg
• Giai đoạn 2 ở áp suất 4 barg
Các thiết bị trao đổi nhiệt trong đó xảy ra quá trình làm sạch urea được gọi là các thiết bị phân huỷ bởi vì trong các thiết bị này xảy ra sự phân huỷ cacbamat.
Giai đoạn phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3, CO2 ở áp suất 18,5 barg:
Dung dịch với hàm lượng CO2 thấp từ đáy thiết bị stripper E-1001 được giản nở đến áp suất 18,5 barg và đi vào phần trên thiết bị phân huỷ trung áp. Thiết bị này được chia thành 3 phần chính:
• Bình tách đỉnh V-1002, ở đây khí nhẹ được tách ra trước khi dung dịch đi vào bó ống.
• Thiết bị phân huỷ kiểu màng trong ống E-1002A/B, ở đây cacbamat được phân huỷ. Nhiệt cung cấp nhờ sự ngưng tụ hơi 4,9 barg (ở phía vỏ của phần trên E-1002A) và nước ngưng hơi ở áp suất 22 barg (ở phía vỏ của phần dưới E-1002B)
• Bình chứa dung dịch urea Z-1002, bình này tập trung dung dịch urea đã làm sạch giai đoạn 1 có nồng độ 60- 63% khối lượng dung dịch urê. Khí giàu NH3 và CO2 ra khỏi bình tách đỉnh V-1002 được đưa vào phía vỏ của thiết bị cô đặc chân không sơ bộ E-1004, ở đó khí được hấp thụ riêng một phần.
Tổng nhiệt tạo thành từ phía vỏ do ngưng tụ/hấp thụ/phản ứng của các chất được dùng để bốc hơi Urea đến nồng độ 84-86%, do đó cho phép tiết kiệm hơi thấp áp ở giai đoạn cô đặc chân không thứ nhất.
Từ phía vỏ của thiết bị cô đặc chân không sơ bộ E-1004, pha hỗn hợp được đưa vào thiết bị ngưng tụ trung áp E-1006, tại đây CO2 được hấp thụ gần như hoàn toàn và nhiệt ngưng tụ được lấy đi nhờ nước làm mát từ thiết bị ngưng tụ Amonia E-1009.
Từ E -1006 pha hỗn hợp chảy vào tháp hấp thụ trung áp T-1001, ở đây pha khí tách ra và đi vào bộ phận tinh chế. Đây là tháp hấp thụ kiểu chuông (bell) hấp thụ CO2 và tinh chế NH3.
Các đĩa nạp liệu bằng dòng hồi lưu NH3 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 amonia V-1005 và được đưa vào cột bằng bơm tăng áp amonia P-1005.
Dòng NH3 và khí trơ bão hòa với vài ppm CO2(20-100ppm) ra khỏi đỉnh bộ phận tinh chế, được ngưng tụ riêng phần trong thiết bị ngưng tụ amonia E-1009. Từ đây dòng 2 pha được đưa vào bồn chứa Amonia V-1005.
Dòng không ngưng tụ bão hòa Amonia rời V-1005 bay dọc trong tháp thu hồi amonia T-1005, ở đây một lượng Amonia được ngưng tụ nhờ Amonia lỏng đến từ xưởng Amonia.
Dòng khí rời đỉnh T-1005 bay dọc trong tháp hấp thụ Amonia trung áp E-1011, ở đây hàm lượng NH3 được giảm triệt để nhờ dòng dung dịch Amonia loãng ngược chiều hấp thụ khí amonia. Khí amonia 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 amonia. Để duy trì nhiệt độ thích hợp , một dòng nước làm mát được cung cấp ở phía vỏ của E-1011.
Tháp rửa khí trơ trung áp T-1003, được nối vào phần trên của E-1011, gồm 3 đĩa van ở đây khí trơ được rửa lần cuối bằng nước sạch. Hàm lượng amoniatrong dòng khí bay lên là thấp nhất và do đó nhiệt độ ít nhạy với nhiệt hấp thu. Cuối cùng khí trơ được tập trung vào ống khói.
Từ đáy E-1011, dung dịch NH3 – H2O được tuần hoàn lại tháp hấp thụ trung áp T-1001 bằng bơm P-1007.
Dòng ra khỏi đáy T-1001 được tuần hoàn bằng bơm dung dịch cacbamat cao áp P-1002 về cụm thu hồi tổng hợp sau khi gia nhiệt sơ bộ ở phía ống của thiết bị gia nhiệt cacbamat cao áp E-1013. Trong thiết bị trao đổi nhiệt này lưu chất gia nhiệt phía vỏ là nước ngưng quá trình từ đáy tháp chưng cất T-1002.
Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 ở áp suất 4 barg.
Dung dịch với hàm lượng CO2 rất thấp ra khỏi thiết bị phân hũy trung áp được giản nở đến áp suất 4 barg và đi vào phần trên của thiết bị phân hủy thấp áp. Thiết bị này được chia thành 2 phần chính:
• Bình tách đỉnh V-1003, ở đây khí nhẹ được tách ra trước khi dung dịch đi vào bó ống;
• Thiết bị phân hủy kiểu màng ống E-1003, ở đây cácbonát được phân hủy và nhiệt được cung cấp nhờ ngưng tụ hơi thấp áp bão hòa 4.9 barg;
• Bình chứa dung dịch urea Z-1003, bình này tập trung dung dịch urea đã làm sạch giai đoạn 2 có nồng độ 69-71%kl.
Hình 3.8 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 trung áp
Khí ra khỏi V-1003 trước tiên được trộn với hơi ở bộ phận tinh chế của tháp chưng T-1002, và sau đó được đưa vào phía vỏ của thiết bị gia nhiệt sơ bộ amonia cao áp E-1007, ở đây chúng được ngưng tụ riêng phần. Nhiệt ngưng tụ được thu hồi ở phía ống để gia nhiệt sơ bộ amonia lỏng cao áp( nạp liệu vào tháp tổng hợp Urê ).
Dòng phía vỏ của E-1007 được đưa vào thiết bị ngưng tụ thấp áp E- 1008, 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 cácbonát ra khỏi E-1008 được thu hồi vào bồn chứa dung dịch cácbonát V-1006. Từ đây nó sẽ được tuần hoàn về T-1001 bằng bơm P- 1003 qua phía vỏ E-1004 và sau đó qua thiết bị ngưng tụ trung áp E-1006.
Một phần nhỏ dung dịch cácbonát thấp áp cũng được làm dòng hoàn lưu của bộ phận tinh cất của tháp chưng T-1002.
Bồn V-1006 được trang bị một tháp rửa khí trơ thấp áp T-1004 để giúp điều khiển áp suất của giai đoạn thu hồi thứ 2. T-1004 được nối với phần trên của E-1012, nơi mà nước làm mát được cung cấp để lấy nhiệt hấp thu.
Hình 3.9 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 thấp áp
3.3.3 Cô đặc:
Dung dịch urea ra khỏi đáy thiết bị phân hủy thấp áp được giản nở tới áp suất 0,33 bar và đi vào phần trên của thiết bị cô đặc chân không sơ bộ. Thiết bị này cũng chia thành 3 phần chính:
• Bình tách đỉnh V-1004, ở đây khí nhẹ được tách ra trước khi dung dịch đi vào bó ống. Hơi được tách ra nhờ hệ thống chân không thứ nhất PK- 1003:
• Thiết bị cô đặc kiểu màng E-1004, ở đây lượng cacbamat 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 Z-1004, ở đây tập trung dung dịch urê 85% nhờ bơm P-1006 bơm vào đáy thiết bị cô đặc chân không thứ nhất E-1014. Thiết bị này hoạt động ở cùng áp suất như phía ống E-1004 ( tức là 0,33 bar). Hơi bão hòa áp suất 3,4 barg được cung cấp vào phía vỏ E-1014 để cô đặc dung dịch Urea chảy trong ống.
Pha hỗn hợp ra khỏi phía ống E-1014 đi vào bình tách chân không khí lỏng thứ nhất V-1014, từ đây một lần nữa hơi được tách ra nhờ hệ thống chân không thứ nhất PK-1003 trong khi nhờ trọng lực urê nóng chảy khoảng 95% đi vào đáy thiết bị cô đặc chân không thứ hai E-1015 ,hoạt động ở áp suất 0,03 bar.
Hơi bão hòa ở áp suất 3,4 barg được cung cấp vào phía vỏ E-1015 để cô đặc urê chảy trong ống.
Pha hỗn hợp ra khỏi phía ống của E-1015 đi vào bình tách chân không khí – lỏng thứ hai V-1015, từ đây hơi nước được tách ra nhờ hệ thống chân không thứ hai PK-1004, trong khi urê nóng chảy (khoảng 99,75%) được đưa tới tháp tạo hạt.
3.3.4 Tạo hạt urê hạt urê
Urea nóng chảy ra khỏi bình chứa Z-1015 được đưa đến vòi phun tạo hạt Z-1009 bằng bơm ly tâm P-1008.
Hạt urea nóng chảy từ vòi tạo hạt rơi dọc theo tháp tạo hạt bằng gió tự nhiên Z-1008, đóng rắn và làm lạnh khi tiếp xúc với dòng không khí ngược chiều.
Amonia tự do (vài ppm) có trong urea
nóng chảy từ Z-1015 có thể được thải ra khí quyển do lôi cuốn theo dòng khí