TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

Nhìn chung, sự tạo thành biurêt tăng lên nhanh chóng khi nhiệt độ vượt quá 110oC do đó cần phải giữ nhiệt độ/áp suất và thời gian lưu của mức urê lỏng ở giá trịbình thường trong các bì

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

Nhà máy được khởi công xây dựng theo hợp dồng EPCC (Chìa khóa trao tay)giữa Tổng công ty Dầu khí Việt Nam và tổ hợp nhà thầu Technip/Samsung, hợp đồngchuyển giao công nghệ sản xuất Amôniắc với Haldoe Topsoe (công suất 1.350tấn/ngày) và công nghệ sản xuất Urê với Snamprogetti (công suất 2.200 tấn/ngày)

 Khởi công xây dựng nhà máy:03/2001

 Ngày nhận khí vào nhà máy: 24/12/2003

 Ngày ra sản phẩm amonia đầu tiên: 04/2004

 Ngày ra sản phẩm urê đầu tiên: 04/06/04

 Ngày bàn giao sản xuất cho chủ đầu tư: 21/09/2004

Nguồn phụ trợ khác:

a Nguồn N2 :

Khí Nitơ lấy từ không khí là chất khí không màu, không mùi, không vị, chiếmkhoảng 78% thể tích trong khí quyển, có Ts = -195,80C, Tnc= -219,860C, ít tan trongnước và các dung môi hữu cơ, không duy trì sự sống và sự cháy Trong nhà máy ĐạmPhú Mỹ, nitơ là nguyên liệu để tổng hợp NH3

b Nguồn H2 :

Hydro là một chất khí không màu, không mùi ở điều kiện thường, Tnc= –259,10C,

Ts = –252,60C Khí Hydro nhẹ có độ linh động lớn dễ khuyếch tán qua các thànhkim loại như Ni, Pt, Pd …Trong nhà máy Đạm Phú Mỹ, Hydro được tạo ra nhờ phảnứng Reforming khí thiên nhiên bằng hơi nước, hydro là nguyên liệu để tổng hợp NH3

c Nguồn CO2 :

Khí CO2 là chất khí không màu, nặng hơn không khí, không duy trì sự sống độngvật nhưng là chất duy trì sự sống thực vật trong quá trình quang hóa Trong nhà máyĐạm Phú Mỹ, CO2 là nguyên liệu để tổng hợp Urê, được điều chế từ công đoạnReforming khí thiên nhiên

1.3 Các phân xưởng chính của nhà máy:

1.3.1 Phân xưởng tổng hợp Amôniắc

Có chức năng tổng hợp Amôniắc và sản xuất CO2 từ khí thiên nhiên và hơi nước.Sau khi tổng hợp, Amôniắc và CO2 sẽ được chuyển sang phân xưởng urê

Hình 1.1: Phân xưởng tổng hợp Amôniắc

1.3.2 Phân xưởng tổng hợp urê

Có chức năng tổng hợp Amôniắc và CO2 thành dung dịch urê Dung dịch urê saukhi đã được cô đặc trong chân không sẽ được đưa đi tạo hạt Quá trình tạo hạt đượcthực hiện bằng phương pháp đối lưu tự nhiên trong tháp tạo hạt cao 105m Phân xưởngurê có thể đạt công suất tối đa 2.385tấn/ngày

Hình 1.2: Phân xưởng tổng hợp Urê

1.3.3 Phân xưởng phụ trợ

Có chức năng cung cấp nước làm lạnh, nước khử khoáng, nước sinh hoạt, cungcấp khí điều khiển, nitơ và xử lý nước thải cho toàn nhà máy, có nồi hơi nhiệt thừa, nồihơi phụ trợ và 1 tuabin khí phát điện công suất 21 MWh, có bồn chứa Amôniắc 35.000

m3 tương đương 20.000 tấn, dùng để chứa Amôniắc dư và cấp Amôniắc cho phânxưởng urê khi công đoạn tổng hợp của xưởng Amôniắc ngừng máy

Hình 1.3: Phân xưởng phụ trợ

1.3.4 Xưởng sản phẩm

Sau khi được tổng hợp, hạt urê được lưu trữ trong kho chứa urê rời Kho urê rời

có diện tích 36.000m2, có thể chứa tối đa 150.000 tấn Trong kho có hệ thống điều hoàkhông khí luôn giữ cho độ ẩm không vượt quá 70%, đảm bảo urê không bị đóng bánh.Ngoài ra, còn có kho đóng bao urê, sức chứa 10.000 tấn, có 6 chuyền đóng bao, côngsuất 40 tấn/giờ/chuyền

Hình 1.4: Xưởng sản phẩm

1.4 Phạm vi sản xuất:

Nhà máy cung cấp 40% nhu cầu phân urê trong nước, Ðạm Phú Mỹ có vai trò rấtlớn trong việc tự chủ nguồn phân bón trong một nước nông nghiệp như Việt Nam.Trước đây, số ngoại tệ phải bỏ ra để nhập phân bón từ nước ngoài về là rất lớn trongkhi nguyên liệu để sản xuất phân Urê là nguồn khí đồng hành (Associated Gas) đangphải đốt bỏ ở các giàn khoan và nguồn khí thiên nhiên (Natural Gas) được phát hiện rấtnhiều ở phía Nam Sản phẩm của nhà máy Ðạm Phú Mỹ hiện đang được tiêu thụ rộngkhắp trên thị trường trong nước, đặc biệt tại vựa lúa đồng bằng sông Cửu Long

Chương 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT URÊ

2.1 Nguyên liệu:

Nguyên liệu để tổng hợp Urê được thể hiện như bảng 2.1 và bảng 2.2

Bảng 2.1: Nguyên liệu sản xuất Urê

Amôniắc

NH 3 %kl

H 2 O %kl Dầu ppmkl Amôniắc tới bồn chứa

Amôniắc tới xưởng Urê

99.8 (tối thiểu)0.2 (tối đa)

CO 2 ở đầu hút máy nén

CO 2 ở đầu ra máy nén

99% (tối thiểu)1% (tối đa)bão hoà

POP = 0.18 barg

TOP = 45oC

POP = 157 barg

TOP => 100oC

Thiếtkế

Nó được làm rõ rằng, ảnh hưởng của CO2 là rất nhỏ so với NH3 Hơn thế nữa,dưới điều kiện giàu CO2, dung dịch sẽ trở nên ăn mòn nhiều hơn và vận hành có vấn đềliên quan đến kết 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

Hình 2.1: Ảnh hưởng ti lệ NH3/CO2

2.3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ H2O/CO2

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 gây tắc nghẽn đường ống

Ngoài ra, vì phản ứng diễn ra trong pha lỏng nên cần một lượng nước vừa đủcũng làm tăng hiệu suất urê

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

2.3.3 Ảnh hưởng của 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

Áp suất cân bằng ngày càng cao khi nhiệt độ tăng

Áp suất cân bằng đạt tới giá trị cực tiểu bằng cách thay đổi tỉ lệ NH3/CO2 và điểmcực tiểu hướng tới giá trị NH3/CO2 cao hơn phụ thuộc vào sự tăng nhiệt độ vận hành.Lưu ý rằng áp suất cân bằng tăng nhanh theo hướng tỉ lệ NH3/CO2 thấp

Như đã giải thích trước đó, hai mole urê chuyển hóa thành một mole biurêt vàmột mole amôniắc bằng gia nhiệt.

Vì biurêt có hại tới sự đâm chồi của hạt, và làm héo cây dứa và cam, quýt khiđạm được phun lên lá, hàm lượng biurêt trong phân đạm trên thị trường thế giới đượcyêu cầu dưới 1.5% Biurêt tạo thành gần như trong tất cả các giai đoạn sản xuất urê vàchủ yếu được tạo thành ở hệ thống phân hủy thấp áp và nhiệt độ cao

Nhìn chung, sự tạo thành biurêt tăng lên nhanh chóng khi nhiệt độ vượt quá

110oC do đó cần phải giữ nhiệt độ/áp suất và thời gian lưu của mức urê lỏng ở giá trịbình thường trong các bình chứa ở mỗi giai đoạn phân hủy đặc biệt là trong bình chứacủa thiết bị tách chân không

2.4 Quy trình sản xuất:

2.4.1 Sơ đồ khối:

Các giai đoạn sản xuất Urê được thể hiện như sơ đồ khối hình 2.2

Hình 2.2: Sơ đồ sản xuất urê

2.4.2 Sơ đồ công nghệ:

a Công đoạn nén CO2

CO2 bão hoà hơi nước có độ tinh khiết tối thiểu 98,5% thể tích(tt), có nhiệt độ

450C và áp suất 0.18 barg lấy từ xưởng Amonia đựơc đưa vào bình tách 20-V-2017.Tại đây 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 đưa thêmvào thông qua bộ điều khiển lưu lượng FV-1002 vào cửa hút Lượng O2 thêm vàochiếm 0.25% (tt) của lượng CO2 nạp liệu

Máy nén ly tâm gồm có 4 cấp trung gian và được chia làm 2 vùng nén thấp áp vàcao áp.Sau mỗi cấp đều được trang bị một thiết bị làm mát và một thiết bị tách với mụcđích để làm nguội và tách lỏng dòng khí.Nhiệt độ tại cửa nén thứ 4 được khống chế đểtránh hiện tượng hoá rắn của CO2.Phần nước ngưng trong các bình tách trung gianđược đưa về hệ thống thải lỏng.Lưu lượng thải lỏng được khống chế bằng các van điềukhiển mức

Dòng khí CO2 sau khi qua thiết bị tách lỏng V-1017,vào đến cửa hút của máy nén

có áp suất khoảng 0.12 barg, được nén đến khoảng 4.6 barg trong cấp nén đầu tiên, đếnkhoảng 18.9 barg trong cấp nén thứ hai, 69.9 trong cấp nén thứ 3 và sau cấp nén cuốicùng lên đến 157 barg

Hai van F-1001, 1013 được sử dụng như hai đường tuần hoàn khi chạy máy, đồngthời chúng cũng được sử dụng đế tránh không bị surging khi công nghệ dao động.Trong trường hợp máy nén vào trường hợp surge, 2 van này sẽ tự dộng mở để tuầnhoàn một phần CO2 từ cửa cấp nén 2 về lại cửa hút cấp nén 1 và cửa ra cấp nén 4 về lạicửa hút cấp nén 3 Ngoài ra tại đầu ra cảu 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 độngcho máy nén CO2 Dòng hơi trung áp quá nhiệt có áp suất 23.5 barg được rút ra từturbin được sử dụng làm tác nhân cấp nhiệt cho thiết bị phân giải cao áp E-1001.Lượng hơi còn lại sau khi đi qua các tầng cánh turbin sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ hơinước E-1022 sử dụng nước sông có nhiệt độ thấp làm môi chất tải nhiệt ngưng tụ Hệthống ngưng tụ này hoạt động ở áp suất chân không khoảng – 0.85 barg Lượng nướcngưng tụ tại 20-E-1022 được bơm 20-P-1018A/B bơm về xưởng phụ trợ để được tái

sử dụng

b Cụm tổng hợp urê

Amôniắc vào cụm tổng hợp được bơm bằng bơm amôniắc cao áp P-1001A/B, lên

áp suất khoảng 220 barg Trước khi vào tháp tổng hợp, amôniắc được gia nhiệt trongthiết bị gia nhiệt sơ bộ amôniắc E-1007, và được sử dụng làm lưu chất đẩy trong bơmphun cácbamát J-1001, tại đây cácbamát từ bình tách cácbamát V-1001 được đẩy lên

áp suất tổng hợp

CO2 từ xưởng amôniắc ở áp suất 0.18 barg và nhiệt độ 45oC đi vào máy nén CO2

K-1001 và được nén đến áp suất 157 barg

Hỗn hợp lỏng amôniắc và cácbamát đi vào đáy tháp tổng hợp urê, ở đây hỗn hợpnày sẽ phản ứng với dòng CO2 nạp liệu

Urê là sản phẩm được tạo thành qua phản ứng tổng hợp amôniắc lỏng và khí CO2.Trong tháp tổng hợp urê R-1001, amôniắc và CO2 phản ứng tạo thành amôni cácbamát,một phần amônium cácbamát tách nước tạo thành urê

Các phản ứng xảy ra như sau:

2NH3 + CO2  NH2COONH4

+ 32560 kcal/kmol cácbamát (Ở 1.033 kg/cm2, 25OC)

NH2-COO-NH4  NH2-CO-NH2+ H2O

- 4200 kcal/kmol urê (Ở 1.033 kg/cm2, 25OC)

Ở điều kiện phản ứng (T=188-190oC, P=152-157 barg), phản ứng thứ nhất xảy ranhanh chóng và hoàn toàn, phản ứng thứ hai xảy ra chậm và quyết định vận tốc phảnứng.

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

Tỉ lệ mole CO2/urê trong khoảng 0.5-0.7

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

c Cụm phân hủy

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:

1 Phân huỷ cao áp tại urê Stripper E-1001

2 Phân huỷ trung áp tại cụm phân huỷ trung áp E-1002A/B

3 Phân huỷ thấp áp tại cụm phân huỷ thấp áp E-1003

Phản ứng phân huỷ là phản ứng ngược chiều với phản ứng 1 như chỉ ở trên

NH2-COO-NH4  2 NH3 + CO2 (- nhiệt)

Và 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 Trong các nhà máy Snamprogetti, sự phân hủy được tiếnhành trong 3 giai đoạn:

* Phân hủy cao áp trong thiết bị Stripper cao áp E-1001

Sự phân hủy được xúc tiến bằng cách gia nhiệt và tách CO2 bằng cách cho bayhơi lượng dư NH , ở mức áp suất thấp hơn một chút so với áp suất phản ứng urê

Thiết bị stripper là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu màng Do đó, các dòng lỏng và khíđược phân hủy và bay hơi khi tiếp xúc ngược dòng và nồng độ CO2 trong dòng lỏnggiảm dần từ đỉnh xuống đáy của ống stripper Sự phân hủy ở áp suất cao yêu cầu nhiệt

độ cao hơn kéo theo vấn đề ăn mòn mà trong công nghệ Snamprogetti ăn mòn đượcngăn ngừa bằng lượng NH3 dư và sử dụng ống lưỡng kim trong stripper

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 dịchurê Thực tế, mỗi ống có một đầu phân phối kiểu lồng (ferrule) được thiết kế để phânphối đều dòng lỏng xung quanh thành ống dưới dạng màng Các lỗ của đầu phân phốihoạt động như các đĩa; đường kính của các lỗ và đầu phân phối sẽ điều khiển lưulượng Khi màng lỏng chảy, nó được gia nhiệt và sự phân hủy cácbamát và bay hơi bềmặt xảy ra Hàm lượng CO2 trong dung dịch giảm do stripping NH3 khi NH3 sôi Hơitạo thành (thực chất là amôniắc và CO2) bay lên đỉnh ống Nhiệt phân hủy cácbamátđược cung cấp nhờ sự ngưng tụ hơi bão hòa 21.8 barg

* Phân hủy trung áp trong thiết bị phân hủy trung áp E-1002A/B

Từ đỉnh của bình tách cácbamát V-1001, khí không ngưng bao gồm khí trơ(không khí thụ động, khí trơ trong dòng CO2 từ giao diện) chứa một lượng nhỏ NH3 và

CO2 được đưa trực tiếp vào đáy thiết bị phân hủy trung áp E-1002

Để tăng cường quá trình phân hủy, cần thiết phải gia nhiệt tới nhiệt độ cao hơnhoặc giảm áp suất tới mức thấp hơn

Thiết bị phân hủy trung áp E-1002A/B hoạt động ở áp suất 19.5 barg và nhiệt độ144-165oC Nhiệt phân hủy được cung cấp nhờ hơi 4.9 barg, 158oC trong phần vỏ trên(E-1002A) và nhờ nước ngưng hơi 219oC từ stripper trong phần vỏ dưới (E-1002B).Dung dịch, với hàm lượng CO2 thấp, từ đáy thiết bị stripper E-1001, được giãn nởtới áp suất 19.5 barg và đi vào phần trên thiết bị phân hủy trung áp Thiết bị này đượcchia thành 3 phần chính:

Bình tách đỉnh V-1002, ở đây khí nhẹ được tách ra trước khi dung dịch đi vào bóống;

Thiết bị phân hủy kiểu màng trong ống E-1002A/B, ở đây cácbônát được phânhủy và nhiệt được cung cấp nhờ ngưng tụ hơi 4.9 barg (ở phía vỏ của phần trên E-1002A) và làm lạnh trực tiếp nước ngưng hơi từ bình tách nước ngưng hơi cho stripperV-1009, ở áp suất khoảng 22 barg (ở phía vỏ của phần dưới E-1002B)

Bình chứa dung dịch urê Z-1002, bình này tập trung dung dịch urê đã làm sạchgiai đoạn 1 có nồng độ 60-63%kl

* Phân hủy thấp áp trong thiết bị phân hủy thấp áp E-1003

Áp suất càng thấp, sự mất mát NH3 và CO2 khỏi hệ thống càng thấp, nhưng dungdịch thu hồi loãng hơn, có nghĩa là nước dư được tuần hoàn về cụm tổng hợp Để duytrì cân bằng trong cụm tổng hợp, điều kiện hoạt động của thiết bị phân hủy thấp ápđược lựa chọn ở áp suất 4 barg và nhiệt độ 151oC Nhiệt được cung cấp nhờ hơi áp suất4.9 barg

Khí phân hủy từ thiết bị phân hủy trung áp được trộn với dung dịch cácbônátloãng từ bình chứa của cụm thấp áp, sau đó được làm lạnh và được hấp thụ dưới dạngdung dịch cácbônát ở phía vỏ thiết bị cô đặc chân không sơ bộ và trong thiết bị ngưng

tụ trung áp

Amôniắc dư được làm sạch trong thiết bị hấp thụ trung áp và được thu hồi dướidạng amôniắc lỏng trong bình chứa amôniắc, từ đó nó được tuần hoàn về tháp tổng hợpthông qua bơm phun tia cácbamát cùng với amôniắc sạch từ hàng rào.

Amôniắc lỏng từ bình chứa amôniắc được đưa vào đỉnh tháp hấp thụ dưới dạngdòng hồi lưu Theo cách này, nhiệt tỏa ra do hình thành cácbônát ở đáy tháp hấp thụ cóthể được thu hồi bằng cách bay hơi NH3 ngưng tụ trước khi đi vào bình chứa amôniắc.Dòng hồi lưu NH3 cũng đảm bảo rằng CO2 trong dòng ra khỏi đỉnh tháp hấp thụđược tối thiểu tới vài ppm

Khí phân hủy từ stripper được trộn với dung dịch cácbônát từ đáy tháp hấp thụcủa cụm trung áp trước khi được ngưng tụ và làm lạnh trong các thiết bị ngưng tụcácbamát và được tuần hoàn về tháp tổng hợp dưới dạng cácbamát đặc Nhiệt phản ứnghình thành cácbamát trong ống các thiết bị ngưng tụ cácbamát được thu hồi ở phía vỏthiết bị ngưng tụ để tạo hơi

Việc sử dụng sự phân hủy kiểu màng tối thiểu hóa thời gian lưu của dung dịchurê, cùng với lượng NH3 dư đảm bảo tối thiểu sự hình thành biurêt trong các giai đoạnphân hủy

2(NH2-CO-NH2)  NH2-CO-NH-CO-NH2 + NH3

Phản ứng cân bằng này được xúc tiến do thời gian lưu và nhiệt độ cao

Vì các xưởng urê Snamprogetti vận hành với lượng dư NH3 trong cụm cao áp nêncần thiết có 2 giai đoạn phân hủy và hấp thụ ở áp suất trung và thấp áp

Các công nghệ khác vận hành với tỉ lệ NH3/CO2 thấp hơn có thể tiến hành trựctiếp từ cao áp tới cụm phân hủy thấp áp

Việc bổ sung cụm trung áp không làm tăng chi phí cũng như tiêu hao Mặt khác,vận hành với lượng NH3 dư có được những thuận lợi như bổ sung thêm một số thiết bị