do an san xuat ure của nhà máy đạm cà mau

Chất sau tức là CO2 phản ứngvới hydroxid natri để tạo thành cacbonat natri 8:Phản ứng urê với các loại rượu sinh ra các chất este acidcacbamic thườngđược gọi là urê than: Urê phản ứng vớ

Trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt NamKhoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực PhẩmTrường Đại học Bà Rịa -Vũng Tàu đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đồ áncông nghệ này Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến cô Tống Thị Minh Thu đã tận tìnhhướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án công nghệ

Trong quá trình thực hiện đồ án công nghệ, chúng em đã học hỏi rất nhiều kinhnghiệm cũng như kiến thức bổ ích, mặc dù đã cố gắng nhưng không tránh khỏi thiếusót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô để đồ ánđược hoàn thiện hơn

Nhóm chúng em xin kính chúc các thầy cô sức khỏe và thành công trong cuộcsống cũng như công việc

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Đức TàiNguyễn Sa PhaNguyễn Văn Sỹ

Lời mở đầu

Đồ án công nghệ là cơ hội tốt cho sinh viên khoa Hóa Học và Công Nghệ ThựcPhẩm nắm vững kiến thức đã học, tiếp cận với thực tế thông qua tính toán các thiết bịvới số liệu cụ thể Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải quyếtnhững vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho công viêc saunày

Do nước ta còn là nước nông nghiệp, nhu cầu phân bón lớn Việc nghiên cứu đểđưa vào sản xuất urê cao cấp tránh khỏi việc nhập khẩu, phụ thuộc vào urê nhập ngoại

là sự quan tâm hàng đầu của Đảng và chính phủ ta Do đó ngành công nghiệp sản suấtphân bón cũng phát triển không ngừng, đặc biệt về sản phẩn urê ngày càng tăng (vớinhà máy đạm Hà Bắc, nhà máy đạm Phú Mỹ, nhà máy đạm Cà Mau) Vấn đề đặt ra làviệc sử dụng hiệu quả phân bón cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất.Xuất phát từ nhu cầu sử dụng phân urê để phục vụ cho ngành nông nghiệp nước

ta, nhóm chúng em thực hiện đề tài: “Thiết kế phân xưởng sản xuất urê của nhà máyđạm Cà Mau” Với kiến thức hạn hẹp nhóm chúng em mong được thầy cô đóng góp ýkiến

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 7

1.1 Tổng quan về urê 7

1.1.1 Lịch sử phát triển 7

1.1.2 Tính chất vật lý 7

1.1.3 Tính chất hóa học 8

1.1.4 Ứng dụng 11

1.1.5 Thị trường urê trên thế giới và việt nam 13

1.2 Nguyên liệu tổng hợp urê 15

1.2.1 Cacbondioxit 15

1.2.2 Amoniac 16

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT URÊ 18

2.1 Sản xuất urê và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp 18

2.1.1 Lý thuyết tổng hợp urê 18

2.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ NH3/CO2 18

2.1.3 Ảnh hưởng tỉ lệ H2O/CO2 19

2.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ và áp suất 19

2.1.5 Sự hình thành buret 20

2.2 Quy trình sản xuất urê trên thế giới 21

2.2.1 Công nghệ không thu hồi 21

2.2.2 Công nghệ tuần hoàn chung 21

2.2.3 Công nghệ C cải tiến tuần hoàn toàn bộ Misui – Toatsu 21

2.2.4 Công nghệ Montedision 23

2.2.5 Công nghệ stripping CO2 Stamircarbon 26

2.2.6 Công nghệ stripping NH3 Snamprogetti 26

2.2.7 Công nghệ stripping khí áp cao 28

2.2.8 Đánh giá ,lựa chọn quy trình sản xuất urê 29

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH SẢN XUẤT URÊ – XƯỞNG URÊ NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU 30

3.1 Tổng quan nhà máy đạm Cà Mau 30

3.2 Mô tả công nghệ sản xuất urê 30

3.3 Tìm hiểu quy trình sản xuất urê 31

3.3.1 Công đoạn nén CO2 31

3.3.2 Tổng hợp ure và thu hồi NH3 – CO2 cao áp 32

3.3.3 Phân hủy cacbanmat và thu hồi NH3 – CO2 trung và thấp áp 34

3.3.4 Cô đặc 37

3.3.5 Tạo hạt urê 39

3.3.6 Xử lí nước thải 39

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 40

4.1 Tính vật chất cân bằng năng lượng 40

4.2 Tính cân bằng nhiệt lượng 43

4.2.1 Nhiệt lượng vào 44

4.2.2 Nhiệt lượng ra 45

4.3 Tính cơ khí cho thiết bị chính 48

4.3.1 Thiết bị phản ứng 48

4.3.2 Tính độ dày thân thiết bị 49

4.3.3 Tính bề dày đáy và nắp 50

4.3.4 Tính trở lực cho tháp 51

4.3.5 Tính chân đỡ cho tháp 52

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT

1.1 Tổng quan về urê

1.1.1 Lịch sử phát triển

Urê được Hilaire Rouelle phát hiện từ nước tiểu vào năm 1773 và được FriedrichWoehler tổng hợp lần đầu tiên từ ammonium sulfate (NH4)2SO4 và potassium cyanateKOCN vào năm 1828 Đây là quá trình tổng hợp lần đầu một hợp chất hữu cơ từ cácchất vô cơ và nó đã giải quyết được một vấn đề quan trọng của một học thuyết sứcsống

Năm 1870, urê đã được sản xuất bằng cách đốt nóng cácbamat amôn trong mộtống bịt kín Điều này là nền tảng cho công nghệ sản xuất urê công nghiệp sau này.Cho tới những năm đầu thế kỷ 20 thì urê mới được sản xuất trên quy mô côngnghiệp nhưng ở mức sản lượng rất nhỏ Sau đại chiến thế giới thứ II, nhiều nước vàhãng đã đi sâu cải tiến quy trình công nghệ để sản xuất urê Những hãng đứng đầu vềcung cấp chuyển giao công nghệ sản xuất urê trên thế giới như: Stamicarbon (Hà Lan),Snamprogetti (Italia), TEC (Nhật Bản)…Các hãng này đưa ra công nghệ sản xuất urêtiên tiến, mức tiêu phí năng lượng cho một tấn sản phẩm urê rất thấp

1.1.2 Tính chất vật lí

Urê có công thức phân tử là CON2H4hoặc (NH2)2CO

Tên quốc tế là Diaminomethanal Ngoài ra urê còn được biết với tên gọi làcarbamide , carbonyl diamide Urê có màu trắng, dễ hòa tan trong nước, ở trạng tháitinh khiết nhất urê không mùi mặc dù hầu hết các mẫu urê có độ tinh khiết cao đều cómùi khai

Nhiệt hòa tan trong nước, J/g 243

Nhiệt kết tinh, dịch ure nước 70%, J/g 460

0C)73% (300C)Nhiệt riêng, J/Kg.K

14391,6611,8872,10

Trong môi trường đất ẩm :

(NH2)2CO + 3H2O CO2 + 2NH4OH

Trong không khí ẩm:

2NO + (NH2)2CO + ½O2 = 2N2+ H2O + CO2

Về mặt thương mại, urê được sản xuất ra bằng cách loại nước trực tiếp cacbamatamôn NH2COONH4 ở mức áp suất và nhiệt độ nâng Người ta thu được cacbamatamôn bằng cách cho phản ứng trực tiếp NH3 với CO2 Hai phản ứng được tiến hànhliên tục trong tháp tổng hợp cao áp

Ở điều kiện áp suất thường và tại điểm nóng chảy của nó, urê phân hủy thànhamoniac, biuret(1), acid cyanuric (qv) (2), ammelide (3) và triuret (4) Biuret là sảnphẩm phụ bất đắc dĩ chủ yếu có trong urê Nếu trong sản phẩm đạm Urê cấp phân bón

mà hàm lượng biuret vượt quá 2% trọng lượng sẽ gây độc hại đối với cây trồng

Urê đóng vai trò như một chất cơ sở đơn và tạo ra các muối có các acid Cùngvới acid nitric nó tạo ra nitrat urê CO(NH2)2.HNO3 và phân hủy nổ khi bị đốt nóng.Urê cứng ổn định ở nhiệt độ phòng và ở điều kiện thường áp Đốt nóng ở điều kiệnchân không và tại điểm nóng chảy thì nó sẽ thăng hoa mà không hề thay đổi Trongmôi trường chân không ở nhiệt độ 180-1900C, urê sẽ thăng hoa và chuyển hóa thànhxianua amôn NH4OCN (5) Khi urê cứng được đốt nóng nhanh trong dòng khíamoniac ở mức nhiệt độ nâng và tăng khoảng vài trăm kPa (vài at.) thì nó sẽ thăng hoahoàn toàn và phân hủy từng phần thành acid cyanic HNCO và xianua amôn Urê cứnghòa tan trong NH3 lỏng và hình thành hợp chất urê-amoniac hỗn hợp không ổn địnhCO(NH2)2NH3 phân hủy ở 450C Urê-Amoniac tạo ra các muối với các chất kim loạikiềm như NH2COHNM hoặc CO(NHM)2 Việc chuyển hóa urê thành biuretđược xúc tiến ở điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao và gia nhiệt kéo dài Ở điều kiện

áp suất thấp 10-20 MPa (100-200 atm), khi đốt nóng cùng với NH3 biuret sẽ tạo thànhurê

Urê phản ứng với nitrat bạc AgNO3 với sự có mặt của hydroxid natri NaOH, sẽtạo thành chất dẫn xuất (5) màu vàng nhạt Hydroxid natri xúc tiến làm thay đổi urêsang dạng imit (6)

Sau đó phản ứng với nitrat bạc Các tác nhân oxi hóa với sự có mặt của natri hydroxidsẽ chuyển hóa urê thành nitơ và dioxid cacbon Chất sau tức là CO2 phản ứngvới hydroxid natri để tạo thành cacbonat natri (8):

Phản ứng urê với các loại rượu sinh ra các chất este acidcacbamic thườngđược gọi là urê than:

Urê phản ứng với foocmandêhyd và tạo thành các hợp chất nhưmonomethylolurea công thức: NH2CONHCH2OH, dimethylolureaHOCH2NHCONHCHOH và các hợp chất khác phụ thuộc vào tỷ lệ mol củafomanđêhyt đối với urê và dựa vào độ pH của dung dịch Peroxyd hydro và urê

là loại sản phẩm dạng bột tinh thể màu trắng Peroxyd urê CO(NH)2.H 2O2 đượcngười ta biết đến với tên gọi thương phẩm là Hypersol đây là chất tác nhân oxihóa Urê và acid malonic phản ứng cho ra đời chất acid barbituric (7), một hợpchất chủ yếu trong ngành hóa dược

1.1.4 Ứng dụng

Trong công nghiệp

Urê được dùng làm phân bón, kích thích sinh trưởng, giúp cây phát triển mạnh,thích hợp với ruộng nước, cây , rau xanh, lúa… Urê cứng có chứa 0,8 đến 2,0% trọnglượng biuret ban đầu được bón trực tiếp cho đất dưới dạng nitơ Các loại dịch urêloãng hàm lượng biuret thấp (tối đa khoảng 0,3% biuret) được dùng bón cho cây trồngdưới dạng phân bón lá

Trộn lẫn với các chất phụ gia khác urê sẽ được dùng trong nhiều loại phân bónrắn có các dạng công thức khác nhau như photphat urê amôn (UAP); sunphat amôn urê(UAS) và urê phophat (urê + acid photyphoric), các dung dịch urê nồng độ thuộcnitrat amôn urê (UAN) (80-85%) có hàm lượng nitơ cao nhưng điểm kết tinh lại thấpphù hợp cho việc vận chuyển lưu thông phân phối bằng hệ thống ống dẫn hay phunbón trực tiếp

Là chất bổ sung vào thức ăn cho động vật, nó cung cấp một nguồn đạm cốđịnh tương đối rẻ tiền để giúp cho sự tăng trưởng

Urê được dùng để sản xuất lisin, một acid amino được dùng thông dụng trongngành chăn nuôi gia cầm

Các loại nhựa urê được polyme hóa từng phần để dùng cho ngành công nghiệpdệt có tác dụng làm phân bố đều các thành phần ép của các chất sợi

Nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa urê-fomanđêhyt Urê (cùngvới Amoniac) phân hủy ở nhiệt độ và áp suất cao để sản xuất các loại nhựa melamin

Là chất thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay sương muối củalòng đường hay đường băng sân bay Nó không gây ra hiện tượng ăn mòn kim loạinhư muối

Là một thành phần bổ sung trong thuốc lá, nó được thêm vào để tăng hương vị Đôi khi được sử dụng như là chất tạo màu nâu vàng trong các xí nghiệp sản xuấtbánh quy

Được dùng trong một số ngành sản xuất thuốc trừ sâu

Là một thành phần của một số dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nướcthơm

Nó cũng được sử dụng như là chất phản ứng trong một số gạc lạnh sử dụng để sơcứu, do phản ứng thu nhiệt tạo ra khi trộn nó với nước

Thành phần hoạt hóa để xử lý khói thải từ động cơ diesel

Sử dụng trong phòng thí nghiệm

Urê là một chất biến tính prôtêin mạnh Thuộc tính này có thể khai thác để làmtăng độ hòa tan của một số prôtêin Vì tính chất này, nó được sử dụng trong các dungdịch đặc tới 10M

Nồng độ urê cũng có thể tăng trong một số rối loạn máu ác tính (ví dụ bệnh bạchcầu và bệnh Kahler)

Nồng độ cao của urê (uremia )có thể sinh ra các rối loạn thần kinh (bệnh não).Thời gian dài bị uremia có thể làm đổi màu da sang màu xám

Sử dụng trong chẩn đoán khác

Các loại urê chứa cacbon 14 - đồng vị phóng xạ, hay cacbon 13 - đồng vị ổn địnhđược sử dụng trong xét nghiệm thở urê, được sử dụng để phát hiện sự tồn tại củaHelicobacter pylori (H pylori, một loại vi khuẩn) trong dạ dày và tá tràng người Xétnghiệm này phát hiện enzym urease đặc trưng, được H pylori sản xuất ra theo phảnứng để tạo ra amôniắc từ urê để làm giảm độ pH của môi trường trong dạ dày xungquanh vi khuẩn

Các loài vi khuẩn tương tự như H pylori cũng có thể được xác định bằng cùngmột phương pháp xét nghiệm đối với động vật (khỉ, chó, mèo - bao gồm cả các loại

"mèo lớn" như hổ, báo, sư tử v.v)

như vậy được gọi là Cathrat Loại hydrocacbon được bịt kín, trên cơ sở chiều dài dãycủa nó được quyết định bằng nhiệt độ khi hình thành Cathrat

Đặc tính này của cathrat urê được áp dụng thông thường trong ngành lọc dầu đểsản xuất nhiên liệu dùng trong ngành hàng không (xem Aviation and other gas-turbinFuels)và dùng để khử xáp các loại dầu bôi trơn (xem Petroleum Refinery Processes).Các chất cathrat dễ vỡ khi ta đem hòa tan urê trong nước hay trong rượu

1.1.5 Thị trường urê trên thế giới và Việt Nam

1.1.5.1 Nhu cầu và khả năng đáp ứng phân urê tại Việt Nam

Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, nhu cầu urê năm 2006 cả nướccần 1.800.000 tấn Trong nước sản xuất đáp ứng hơn 45%, sản lượng ước đạt 830.000tấn, tăng 2,7% so với năm 2005, nhập khẩu dự tính khoảng 1.000.000 tấn, giảm 6% sovới năm 2005 Dự báo năm 2007, nhu cầu phân bón các loại khoảng 7,05 triệu tấn.Trong đó, urê khoảng 1,8 triệu tấn Sản xuất trong nước khoảng 4,7 triệu tấn, nhậpkhẩu 3,5 triệu tấn

Năm 2007, kế hoạch sản xuất của 2 nhà máy phân đạm Phú Mỹ và Hà Bắckhoảng 900.000 tấn, tăng 8,4% so với 2006, nhập khẩu khoảng 900.000 tấn, giảm 10%

so với 2006 Để bình ổn thị trường phân urê năm 2007, Bộ cũng đưa ra một số giảipháp đối với 2 nhà máy sản xuất phân urê trong nước phải đảm bảo kế hoạch sản xuấtnăm 2007, đáp ứng kịp thời nhu cầu phân bón cho sản xuất nông nghiệp theo từng mùa

vụ Bộ Thương mại, Hiệp hội Phân bón Việt Nam phối hợp chặt chẽ với BộNN&PTNT về thông tin thị trường, dự báo giá cả phân bón thế giới và trong nước, dựbáo giá phân bón thế giới từng thời kỳ để có kế hoạch định hướng cho các doanhnghiệp nhập khẩu, đảm bảo cho các doanh nghiệp nhập khẩu, đảm bảo cung cầu cho

cả nước Hiệp hội Phân bón Việt Nam, các doanh nghiệp nhập khẩu cần liên kết côngkhai với nhau lượng tồn kho trước mỗi mùa vụ, nắm chắc thông tin thị trường để cânđối và phân chia số lượng urê nhập khẩu để tránh rủi ro và góp phần bình ổn giá urêkhi vào vụ

Năm 2012, với nhu cầu sử dụng phân bón trong nước ngày càng tăng, nhiều dự

án nhà máy đã đi vào hoạt động như nhà máy đạm Cà Mau với công suất 800.000 tấn/năm, nhà máy đạm Ninh Bình công suất 560.000 tấn/năm đã giải quyết phần nào nhucầu của thị trường trong nước Sản lượng phân bón urê là 1,62 triệu tấn, tăng 64,8%

1.1.5.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ urê trên thế giới

Tổng tiêu thụ phân bón thế giới năm 2005 tăng 3,9% so với năm 2004, vào năm

2006 tiêu thụ tương đối ổn định (-0,2%) so với năm 2005 Nhu cầu N tăng 1,1% trongkhi tiêu thụ P và K giảm tương ứng là 1,3 và 3,2%

Ở tầm khu vực, nhu cầu tiêu thụ rất khác nhau nhưng nhìn chung phát triểntương đối ổn định do có trợ giá phân bón nên giảm tác động của việc tăng giá phân

bón trong khi giá mặt hàng nông nghiệp lại thấp

Bảng 2.4: Tiêu thụ phân bón toàn cầu, 2004/05 đến 2007/08 (Triệu tấn phân bón và tỷ lệ thay đổi hàng năm)

Kế hoạch đến 2008 cho thấy sự tăng chậm về nhu cầu phân bón Tổng tiêu thụđược tiên đoán tăng 3,0% tương ứng 164,7 triệu tấn trong đó nhu cầu K (+4,1%) caohơn P (+3,3%) và N (+2,6%) Hầu như nhu cầu tăng lại chỉ xảy ra tại Nam Á và Đông

Á Ước tính giữa năm 2005 và 2007 gần 70% lượng nhu cầu phân bón thế giới tăngđến từ 2 khu vực này

Hình 2.1: Sự gia tăng nhu cầu phân bón trên thế giới giữa năm 2005 và năm 2007

Việc tăng nhu cầu phân bón thế giới năm 2007 đã tác động tích cực đến việccung cấp phân bón, đặc biệt là urê và các sản phẩm Nitơ khác Nhu cầu phân bónPhosphat và Kali không đổi trong khi thương mại thay đổi

Việc sản xuất NH3 trên thế giới trong năm 2006 ước tính khoảng 150 triệu tấn

NH3 tăng 3% so với năm 2005 Năm 2007 cung cầu Nitơ thế giới sẽ duy trì tương đốicân bằng Thị trường urê thế giới năm 2006 cho thấy sự tăng trưởng hơn mong đợi với

sự tăng giá cả, nhu cầu được duy trì tương đối liên tục, cung cấp vừa đủ Năm 2006,

sản xuất urê của thế giới ước tính khoảng 133,5 triệu tấn Mặc dù Ả rập và Xê Út tăngthêm lượng cung nhưng việc bán urê nhìn chung vừa đủ do sự thiếu nguồn cung từTrung Quốc và Indônêsia trên thị trường thế giới Trong năm 2006, Ấn Độ dẫn đầu vềnhập khẩu urê tiếp đó là Pakistan, Bangladesh và Tây Âu Thêm vào đó là đã xuấthiện một số loại phân bón N ngoài urê (Gần 6 triệu tấn trong năm 2006) Năng suất urêthế giới dự kiến sẽ tăng mạnh trong năm 2007 Thị trường urê sẽ còn vừa đủ đến nửanăm 2007 Với năng suất mới sẽ dẫn đến thặng dư urê trong nửa năm 2007 còn lại.

1.2 Nguyên liệu tổng hợp urê

1.2.1 Cacbondioxit

1.2.1.1 Tính chất vật lí

Điôxít cacbon hay cacbon điôxít (các tên gọi khác thán khí, anhiđrít cacbonic,khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyểnTrái Đất, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử ôxy Là một hợp chất hóahọc được biết đến rộng rãi, nó thường xuyên được gọi theo công thức hóa học là CO2.Trong dạng rắn, nó được gọi là băng khô

Các thông số hóa lí cơ bản :

1.2.2.2 Tính chất hóa học

Về mặt hóa học, cacbobdioxit cũng khá bền nó không duy trì sự sống.tuy không

có tác dụng độc ngưng với nồng độ 3% trong không khí ,trung ương thần kinh của conngười sẽ bị rối loạn và 10% có thể mất trí và đi đến chết

Khí cacbonic không cháy và duy trì sự cháy.trên thực tế cacbonic ở dạng nén hay

dạng lỏng để chữa cháy Đối với đám cháy gây bởi kim loại có ái lực lớn đối với oxinhư K, Mg, Al, Zn cacbobdioxit mất hiệu lực vì kim loại đó vẫn còn cháy tiếp.

4Al +3CO2 =Al2O3+3CKhí CO2tan nhiều trong nước,khi tan trong nước phần lớn CO2 ở dưới dạngđược hydrat hóa và một phần nhỏ tương tác với nước tạo thành axit cacbonic:

 Nhiệt hóa hơi riêng : 5.581 kcal/kmol

 Nhiệt dung riêng khí NH3 ( ở 00C, 1at) : 0,492 kcal/kg độ

 Nhiệt độ tới hạn : 132,40C

 Áp suất tới hạn : 111,5 at

Ammonia rất dễ tan trong nước: Ở nhiệt độ phòng ( 200C) thì 1 thể tích nước hòatan khoảng 700 thể tích Ammonia theo phản ứng:

NH3 + H2O = HN4OH + Q (1)

Khi tăng nhiệt độ, độ tan của Ammonia giảm xuống, do nó thoát ra khỏi dungdịch đậm đặc khi đun nóng, và đôi khi người ta dùng phương pháp này để điều chếmột lượng nhỏ Ammonia trong phòng thí nghiệm

Ở nhiệt độ thấp, từ dung dịch Ammonia có thể tách ra Hydrate tinh thể HN3.H2O.Tinh thể này nóng chảy ở -790C Trong các hydrate này, các phân tử nước vàAmmonia kết hợp với nhau bằng liên kết hydro

1.2.2.2 Tính chất hóa học

Ammonia là hợp chất có khả năng phản ứng cao, có thể tác dụng với nhiều chấtkhác nhau Nitrogen trong Ammonia có mức oxy hóa thấp nhất ( -3 ) Do đó NH3 thểhiện tính chất khử Nếu cho dòng Ammonia đi qua một ống , lồng trong một ống cóchứa Oxygen, thì NH3 có thể bị đốt cháy, và khi cháy có ngọn lửa màu lục nhạt theophản ứng sau:

4NH3 + 3O2 = 6H2O + N2 (2)

Trong điều kiện có xúc tác Platin, ở nhiệt độ 7500C thì NH3 bị oxy hóa thànhNO:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 907 Kj (3)

NH3 có tính Bazơ và phản ứng với các acid tạo thành các muối:

 Phản ứng với Acid Clohydric:

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT URÊ 2.1 Sản xuất urê và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp

Các phản ứng xảy ra như sau:

2NH3+CO2  NH2COONH4 + 32560 kcal/kmol cácbamát (Ở 1.033kg/cm2, 25OC) [1]

NH2-COO-NH4  NH2-CO-NH2+H2O - 4200 kcal/kmol urê (Ở1.033 kg/cm2, 25OC) [2]

Ở điều kiện phản ứng (T=188-190oC, P=152-157 barg), phản ứng thứ nhất xảy

ra nhanh chóng và hoàn toàn, phản ứng thứ hai xảy ra chậm và quyết định vận tốcphản ứng

Phần amônium cácbamát tách nước được xác định bằng tỉ lệ các chất phản ứngkhác nhau, nhiệt độ phản ứng và thời gian lưu trong tháp tổng hợp

Phản ứng thứ nhất tỏa nhiệt mạnh liệt trong khi đó phản ứng thứ hai thu nhiệt yếu

và xảy ra trong pha lỏng ở tốc độ chậm

Sau hệ thống tổng hợp urê, quá trình phân huỷ (và thu hồi có liên quan) khôngthay đổi thành phần phản ứng được thực hiện ba bước sau:

Phản ứng phân huỷ là phản ứng ngược chiều với phản ứng [1]

NH2-COO-NH4  2 NH3 + CO2 (- nhiệt)Phản ứng xảy ra mãnh liệt khi giảm áp và/hoặc tăng nhiệt

2.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ NH 3 /CO 2

Theo phản ứng 1, tỷ lệ Mol lý thuyết của NH3/CO2 là 2, nhưng dưới các điều kiệnkhác sản phẩm urê ổn định chậm ở 168 bar 155 OC

Tuy nhiên trong thực tế sản phẩm urê thay đổi khi thay đổi tỷ lệ NH3/CO2 Khi tỷ

lệ Mol NH3/CO2 thay đổi từ 2 đến 9, sản phẩm urê thay đổi từ khoảng 40% đến 85%.Trên những điều kiện khác, khi tỷ lệ Mol NH3/CO2 thay đổi từ 2 đến 0.5, sản phẩm urê

sẽ thay đổi chỉ từ khoảng 40% đến khoảng 45%

Vì vậy ảnh hưởng của CO2 là rất nhỏ so với NH3 Hơn thế nữa, dưới điều kiệngiàu CO2, dung dịch sẽ trở nên ăn mòn nhiều hơn và vận hành có vấn đề liên quan đếnkết tinh là quá quan trọng

Nói chung, hầu hết tất cả các nhà máy urê được vận hành dưới tỷ lệ NH3/CO2

trong khoảng giữa 2.5 và 5.0

2.1.3 Ảnh hưởng tỉ lệ H 2 O/CO 2

Từ phản ứng thứ hai, rõ ràng rằng lượng nước dư trong dung dịch phản ứng làmcản trở sự hình thành urê từ cácbamát Nhưng nếu hàm lượng nước quá thấp thì nồng

độ cácbamát trở nên cao cùng với vấn đề nghẽn đường ống

Do đó, thông thường thì tỉ lệ mole H2O/CO2 là 0.4-1 trong các nhà máy côngnghiệp

2.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ và áp suất

Mối liên hệ giữa độ chuyển hóa cân bằng và nhiệt độ vận hành được đưa ra bởiFréjacques và những người cộng sự như sau: độ chuyển hóa tăng tỉ lệ với sự tăng nhiệt

độ, nhưng Otsuka và những người cộng sự đã báo cáo rằng độ chuyển hóa cân bằng tối

đa tồn tại xung quanh 196-200oC

Phản ứng phân huỷ là phản ứng ngược chiều với phản ứng [1]

NH2-COO-NH4  2 NH3 + CO2 (- nhiệt)Phản ứng xảy ra mãnh liệt khi giảm áp và/hoặc tăng nhiệt

Từ phản ứng này có thể thấy rằng sự phân hủy được xúc tiến bằng cách giảm ápsuất và/hoặc cung cấp nhiệt

đó cần phải giữ nhiệt độ/áp suất và thời gian lưu của mức urê lỏng ở giá trị bình

thường trong các bình chứa ở mỗi giai đoạn phân hủy đặc biệt là trong bình chứa củathiết bị tách chân không.

2.2 Quy trình sản xuất urê trên thế giới

2.2.1 Công nghệ không thu hồi

Cacbamat chưa chuyển hóa được phân hủy thành NH3 và khí CO2 bằng cách gianhiệt hỗn hợp dòng công nghê ở điều kiện thấp áp Khí NH3 và CO2 thoát khỏi dịchurê và được sử dụng để sản xuất các muối amôn bằng cách hấp thụ NH3 trong acidsunfuaric và acid photphoric Một nhà máy như thế này sẽ có chi phí đầu tư tương đốithấp, nhưng có lượng khí thải tương đối lớn

Do nhu cầu về urê cấp phân bón tinh khiết ngày càng tăng, nên các nhà máy đitheo công nghệ không thu hồi ít có tính hấp dẫn, bởi vì nó sản xuất ra quá nhiều muốiamôn với mức tuần hoàn nhỏ

2.2.2 Công nghệ tuần hoàn chung

Khí NH3 và CO2 thu hồi từ dòng công nghệ của tháp tổng hợp trong các côngđoạn phân hủy ở các áp suất khác nhau ( cao áp, trung áp và tháp áp) được hấp thụtrong nước và được tái tuần hoàn trở lại cho tháp tổng hợp dung dịch cacbamat amônlỏng có chứa Amoniac Hầu như toàn bộ gần một nửa công suất urê của thế giới sảnxuất ra đi theo công nghệ này

2.2.3 Công nghệ C cải tiến tuần hoàn toàn bộ Misui – Toatsu

Tháp tổng hợp vận hành ở điều kiện áp suất khoảng 25MPa (246at) và khoảng

1950C với tỷ lệ mol toàn phần NH3:CO2 khoảng 4:1 (nạp nguyên cộng với tuần hoàn).Theo báo cáo người ta đã thu được hiệu suất chuyển hóa cacbamat thành urê của mỗichu trình tương đối cao

Cacbamat chưa chuyển hóa và NH3 dư được thu hồi trong dòng thải của tháptổng hợp trước tiên là tháp phân hủy cao áp đốt nóng bằng hơi trung áp , với áp suấtphân huỷ khoảng 17 MPa (xấp xỉ 168 at) và nhiệt độ khoảng 1550C, sau đó chuyểnsang tháp phân hủy thấp áp gia nhiệt bằng hơi thấp áp có áp suất P=300 kPa (khoảng

3 at) và nhiệt phân huỷ là 1300C

Khí thấp áp được ngưng tụ trong tháp hấp thụ thấp áp và dịch lỏng được bơm lêncho tháp hấp thụ cao áp để hấp thụ khí của thiết bị phân hủy cao áp Amoniac dư chưahấp thụ của tháp hấp thụ cao áp được ngưng tụ trong tháp ngưng tụ NH3 bởi vì dịchcacbamat cô đặc được thu hồi trong tháp hấp thụ cao áp

Phương pháp kết tinh trung gian cho phép sản xuất được urê có hàm lượngbiuret ở mức dưới 0,5% trọng lượng phù hợp cho mục đích thương phẩm và sử dụng.Nhiệt toả ra trong quá trình tuần hoàn ngưng tụ carbamate được tận dụng cấpnhiệt cho quá trình bay hơi nước và amonia trong thiết bị tiền cô đặc chân không.Tháp tổng hợp được lót một lớp hợp kim đặc biệt để chống ăn mòn Các chi tiết

khác của thiết bị trong dây chuyền được chế tạo bởi thép không rỉ 316L, 316, 304L và

303 tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ làm việc và nồng dộ carbamate trong dịch ure.Nếu nồng độ cacbamat và nhiệt độ quá trình cao hơn thì cần phải có thiết bị bằng thépkhông rỉ 316L và 316SS còn ở những nơi có nồng độ cacbamat và nhiệt độ làm việcthấp thì dùng thiết bị có vật liệu 304L và 304SS

Không khí thụ động hóa được đưa vào trong thiết bị phân hủy cao áp để tạo lớpô-xit trên bề mặt bên trong thiết bị tăng cường khả năng chống ăn mòn cho thiết bịbằng thép không rỉ

Trong nhiều năm qua người ta đã tiến hành các bước cải tiến công nghệ (19-24).Hiện nay có nhiều nhà máy urê công suất đến 1800 tấn/ngày đang sử dụng công nghệnày

2.2.4 Công nghệ Montedision

Tháp tổng hợp làm việc ở mức áp suất từ 20-22 MPa (khoảng 192-217 at) tỷ lệmol NH3/CO2 khoảng 3,5:1 (nạp nguyên cộng tuần hoàn) Mức chuyển hóa cacbamatthành urê cho mỗi hành trình theo báo cáo đạt 62-63% Áp suất dòng thải của tháptổng hợp được giảm xuống vào khoảng 7,5 MPa (74 at) và hơi nước được đốt nóng đểthu hồi NH3 và CO2 chưa chuyển hóa trong dịch urê NH3 và CO2 dư được thu hồitrong hai thiết bị phân hủy áp lực nối tiếp vận hành với áp suất 1,2 Mpa (khoảng 12 at)

và 200 kPa (2 at)

Dịch urê loãng 75% trọng lượng của tháp phân hủy cacbamat thứ ba được côđặc thành urê nóng chảy 99,5 % trọng lượng trong hệ thống bốc hơi chân không haicấp vận hành ở mức áp suất khoảng 29 kPa (0,29ata) và 3,4 kPa (0,034 ata ) Khí củathiết bị phân hủy cacbamat thứ ba được ngưng tụ trong tháp hấp thụ làm lạnh bằngnước thứ ba và sau đó được bơm vào cho tháp hấp thụ thứ hai để hấp thụ khí của thápphân hủy cacbamat thứ hai

Dịch cacbamat loãng của tháp hấp thụ thứ hai được bơm vào tháp hấp thụ thứnhất để phục vụ mục đích hấp thụ Nhiệt tỏa ra của quá trình hình thành cacbamatđược sử dụng để sản xuất hơi thấp áp trong tháp hấp thụ thứ nhất với áp suất khoảng

300 kPa (3 at) để xuất ra ngoài nhà máy Tháp tổng hợp được lót một lớp bằng thép316L không khí được phun vào để thụ động hóa

Mới gần đây đã có thông báo nói về một quá trình cải tiến dựa trên công nghệtuần hoàn kép đẳng áp (IDR) (25) Dòng công nghệ ra khỏi tháp tổng hợp đầu tiênđược stripping cùng với khí NH3 sau đó với CO2 tất cả đều vận hành theo áp suất củatháp tổng hợp khoảng 18-21 MPa (khoảng 180-210 at) Theo báo cáo đã giảm đượcđáng kể mức tiêu hao hơi nước công nghệ

2.2.5 Công nghệ stripping CO2 Stamircarbon

Tháp tổng hợp, tháp phân hủy cacbamat cao áp (stripper) và thiết bị ngưng tụcacbamat mỗi cái đều hoạt động ở áp suất khoảng 14 MPa (khoảng 140 at), tỷ lệ mol

NH3/CO2 là 2,8:1

Áp suất tháp tổng hợp được hiển thị thông qua tháp stripper trong đó nhu cầu về

tỷ lệ mol và áp suất thấp để tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình phân hủy Lượngcacbamat chưa chuyển hóa được phân hủy và tuần hoàn đẳng áp tới cho tháp tổng hợp,

do vậy kích thước bơm tuần hoàn cũng được giảm đi

Tháp tổng hợp có các đĩa lỗ có tác dụng làm cho việc pha trộn NH3 vàcacbamat lỏng tuần hoàn từ thiết bị hấp thụ thấp áp và hỗn hợp khí của thiết bị ngưng

tụ cao áp được thuận lợi hơn Trên đỉnh của tháp tổng hợp có một túi khí dùng choviệc phân ly các chất không ngưng tụ của dịch sản phẩm urê

Các chất không ngưng tụ chủ yếu là không khí thụ động hóa được rửa bởi dịchcacabamat từ tháp hấp thụ thấp áp tới và thải ra ngoài qua hệ thống thải khí trơ trêncao Dịch lỏng đi ra từ hệ phóng không này được cấp vào cho thếit bị ngưng tụcacbamat thông qua một vòi phun được hoạt động theo mức nạp của tháp tổng hợp

NH3 cao áp Dịch sản phẩm urê chảy tràn vào đường ống xuống bên trong và được nạpvào cho đỉnh tháp stripping cao áp

Hơi cao áp cung cấp nhiệt phân hủy cacbamat và duy trì mức nhiệt độ caokhoảng 1900C CO2 cao áp đi qua ống của thiết bị stripper ngược dòng với dòng sảnphẩm urê đi xuống

Với sự có mặt của khí CO2 dư, cacbamat được phân hủy thành khí NH3 và CO2

sau đó được tách khỏi dung dịch Áp suất trong dịch urê đã khử khí có chứa một sốcacbamat và NH3 chưa chuyển hóa được giảm xuống thu hồi NH3 và urê, kết quả sảnphẩm được cô đặc urê nóng chảy hàm lượng đạt 99,7% trọng lượng trong điều kiệnchân không cao áp

Sau khi bổ sung NH3, khí từ trên cao của thiết bị stripper đi xuống được ngưng

tụ từng phần để sản xuất hơi thấp áp xuất ra ngoài nhà máy Hỗn hợp qua ngưng tụtừng phần này chảy ngược trở lại dưới tác dụng của trọng lực từ thiết bị ngưng tụ cao

áp về cho tháp tổng hợp Nhiệt trong thiết bị ngưng tụ cao áp được khử hết theo cáchnhư thế nào đó để đảm bảo còn một lượng nhiệt nhất định trong khí CO2 và NH3 trongdòng khí tuần hoàn trở lại cho tháp tổng hợp nhằm duy trì cân bằng nhiệt cho thápthông qua việc ngưng tụ khí bổ sung

2.2.6 Công nghệ stripping NH3 Snamprogetti

Công nghệ này được phát triển từ cuối những năm 1960 Chu trình tổng hợp vậnhành ở mức áp suất 15 Mpa (khoảng 150at) và tỷ lệ toàn phần NH3/CO2 là 3,8:1.Chuyển hóa cacbamat thành urê của mỗi chu trình theo báo cáo đạt được khoảng 65-75%

Sản phẩm ra khỏi tháp tổng hợp được nạp vào cho tháp stripper cao áp để phânhủy cacbamat chưa chuyển hóa theo áp suất của tháp tổng hợp Khí từ tháp strippercao áp ở trên đi xuống được ngưng tụ và tuần hoàn cho tháp tổng hợp bằng một thiết

bị phun trộn khí vận hành theo áp suất nạp của tháp Amoniac lỏng cao áp Hơi thấp ápđược sản xuất trong thiết bị ngưng tụ cao áp

Amoniac dư trong dịch urê sản phẩm của tháp stripper cao áp tương đối cao vàcần thiết phải có hai cấp phân hủy và tuần hoàn tiếp sau chu trình tổng hợp

Không khí thụ động hóa được đưa vào cho tháp tổng hợp và được thải từ thiết bịngưng tụ cao áp tới cho tháp hấp thụ trung áp để thu hồi NH3 và CO2 dư, áp suấtkhoảng 1,5 đến 1,8 MPa (khoảng 15-18 at) Amoniac dư chưa ngưng tụ của tháp hấpthụ trung áp được trộn với dòng NH3 lỏng mới chế và đưa đến cho tháp tổng hợp thôngqua vòi phun cacbamat bằng bơm Amoniac lỏng cao áp

Dịch sản phẩm urê được cô đặc trong điều kiện chân không cao để đạt sản phẩmurê nóng chảy khoảng 99,7% trọng lượng và tiếp tục được đưa đến tháp tạo hạt Mức

xử dụng hơi công nghẹ khoảng 0,9 tấn / tấn urê Có rất nhiều nhà máy hiện nay trênthế giới có công suất đến 2200 tấn/ngày đang sử dụng công nghệ như mô tả ở trên

Tất cả các qui trình công nghệ sản xuất urê được nêu ở trên điều có được những

ưu nhược điểm khác nhau Có qui trình đơn giản, dễ thực hiện song bị hạn chế ở khâuthu hồi và xử lý chất thải Bên cạnh đó có qui trình tiết kiệm được năng lượng thì khisản xuất không thu hồi triệt để nguyên vật liệu…Nổi bật hơn hết là công nghệ sản xuất

NH3 của Topsoe-Đan Mạch và qui trình sản xuất urê Snamprogetti của Italia Hai côngnghệ này là những công nghệ sản xuất có thu hồi toàn bộ và đang được sử dụng rộngrãi trên thế giới Hiện nay, đây là công nghệ hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất phânbón, vừa tiết kiệm được chi phí nguyên vật liệu, vừa hạn chế được vấn đề ô nhiễm môitrường

2.2.7 Công nghệ stripping khí áp cao