Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí mô phỏng nhà máy đạm phú mỹ bằng phần mềm hysys

Nhà máy Đạm Phú Mỹ thuộc Tổng công ty Phân bón và Hóa chất Dầu khí, sửdụng công nghệ của hãng Haldor Topsoe của Đan Mạch để sản xuất khí Amoniac vàcông nghệ của hãng Snamprogetti của Ita

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp không chỉ là một học phần đơn thuần mà còn là sự tổng kếtnhững kiến thức mà sinh viên đã tiếp thu trên giảng đường Đại học trong suốtnhững năm là sinh viên Đồ án tốt nghiệp cũng phản một phần năng lực của sinhviên sau khi rời giảng đường Đại học Vì vậy, trong suốt thời gian thực hiện đồ ánnày chúng tôi luôn xác định tầm quan trọng và nổ lực hết mình để thực hiện nó Ở

đồ án tốt nghiệp này ngoài nổ lực bản thân, chúng tôi đã nhận được rất nhiều sựgiúp đỡ nhiệt tình và tạo mọi điều kiện tốt nhất từ Thầy, Cô bộ môn “Công nghệ hóahọc dầu và khí” thuộc khoa Hóa, trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, cùng với cácbạn sinh viên trong lớp 10H5 Đặc biệt, chúng tôi xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Thị Thanh Xuân và PGS.TS.Nguyễn Đình Lầm về những quan tâm sâu sắc

và sự chỉ đạo thường xuyên trong suốt quá trình thực hiện đề tài này Vì thời gian cóhạn và những điều kiện khách quan khác, bên cạnh đó đây là lần đầu tiên chúng tôitiếp cận với đề tài khoa học nên không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế.Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của Thầy, Cô và các bạn sinh viên để hoànthiện hơn đề tài này Cuối cùng, chúng tôi chúc tất cả quý Thầy, Cô và các bạn sinhviên nhiều sức khỏe và thành công trong cuộc sống

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2015 Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ 2

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 2

1.2 Địa điểm xây dựng mặt bằng nhà máy 3

1.3 Công nghệ sở hữu 4

1.4 Nguyên liệu 4

1.5 Các loại sản phẩm 4

1.5.1 Sản phẩm chính Urea 4

1.5.2 Sản phẩm phụ Ammonia 5

1.6 Các phân xưởng trong nhà máy 5

1.6.1 Phân xưởng Ammonia 5

1.6.2 Phân xưởng Urea 6

1.6.3 Phân xưởng phụ trợ 6

CHƯƠNG 2 PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT AMONIAC 7

2.1 Tổng quan về công nghệ 7

2.1.1 Vị trí phân xưởng tổng hợp Amoniac 7

2.1.2 Công nghệ tổng hợp Amoniac 7

2.1.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất Amoniac 10

2.2 Phân xưởng sản xuất Amoniac 11

2.2.1 Khử lưu huỳnh trong nguyên liệu khí thiên nhiên 11

2.2.2 Chuyển hoá khí thiên nhiên thành CO, CO2, H2 12

2.2.3 Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp 13

2.2.4 Tách CO2 từ hỗn hợp khí sau R-2005 14

2.2.5 Chuyển hóa thành Metan 15

2.2.6 Chu trình tổng hợp Amoniac 16

2.2.7 Công đoạn làm lạnh bằng Amoniac 17

2.2.8 Công đoạn thu hồi khí NH3 và H2 18

2.2.9 Hệ thống sản xuất hơi nước 18

CHƯƠNG 3 PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT UREA 20

3.1 Giới thiệu về urea 20

3.1.1 Lịch sử phát triển 20

3.1.2 Tính chất của Urea 20

3.2 Công nghệ urea 23

3.2.1 Tổng hợp urea và thu hồi NH3, CO2 cao áp 24

3.2.2 Tinh chế urea và thu hồi NH3, CO2 trung áp 27

3.2.3 Tinh chế urea và thu hồi NH3, CO2 thấp áp 30

3.2.4 Cụm cô đặc chân không và tạo hạt 32

3.2.5 Xử lý nước ngưng quá trình 34

3.2.6 Xử lý nước thải 35

3.2.7 Các hệ thống phụ trợ 37

3.2.8 Hệ thống hơi 37

3.2.9 Hệ thống nước rửa 39

3.2.10 Các dòng thải lỏng và khí 40

CHƯƠNG 4 GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 42

4.1 Mục đích mô phỏng 42

4.2 Giới thiệu chung về phần mền mô phỏng 42

4.3 Giới thiệu về Aspen Hysys 43

4.5 Lựa chọn mô hình nhiệt động 46

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG NH3 47

5.1 Các quá trình mô phỏng 47

5.2 Các thiết bị chính 47

5.3 Tiến hành mô phỏng tính toán bằng Hysys 48

5.3.1 Chọn hệ đơn vị đo 48

5.3.2 Chọn mô hình nhiệt động 48

5.3.3 Nhập cấu tử cho hệ 48

5.3.4 Thiết đặt phản ứng cho quá trình 50

5.3.5 Vào môi trường mô phỏng 50

5.3.6 Thiết lập dòng nguyên liệu 50

5.4 Các công đoạn của quá trình 51

5.4.1 Công đoạn xử lý lưu huỳnh trong nguyên liệu 51

5.4.2 Công đoạn chuyển hóa khí thiên nhiên thành CO, CO2, H2 54

5.4.3 Công đoạn chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp 60

5.4.4 Công đoạn tách CO2 bằng dung dịch MDEA 64

5.4.5 Công đoạn Metan hóa 67

5.4.6 Công đoạn tổng hợp Amoniac 71

5.4.7 Công đoạn thu hồi khí NH3 và H2 81

5.4.8 Hệ thống sản xuất hơi nước 85

CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG UREA 86

6.1 Các quá trình và khu vực mô phỏng 86

6.1.1 Các quá trình mô phỏng 86

6.1.2 Các thiết bị chính 86

6.2 Chọn hệ đơn vị và mô hình nhiệt động trên Hysys 87

6.2.1 Chọn hệ đơn vị đo 87

6.2.2 Chọn mô hình nhiệt động 88

6.2.3 Nhập cấu tử cho hệ 91

6.3 Mô phỏng các cụm phân xưởng 91

6.3.1 Mô phỏng cụm nén khí CO2 91

6.3.2 Khu vực phản ứng và thu hồi áp suất cao 93

6.3.3 Làm sạch Urea và thu hồi NH3, CO2 áp suất trung bình 96

6.3.4 Làm sạch Urea và thu hồi NH3, CO2 áp suất thấp 100

6.3.5 Cụm cô đặc chân không 103

6.3.6 Khu vực xử lý nước ngưng 105

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Mặt bằng nhà máy sản xuất phân đạm Phú Mỹ 9

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát các phân xưởng trong nhà máy Đạm Phú Mỹ 13

Hình 2.2 Sơ đồ các công đoạn sản xuất trong phân xưởng Amoniac 15

Hình 2.3 Sơ đồ cụm xử lý lưu huỳnh trong nguyên liệu khí thiên nhiên 17

Hình 2.4 Sơ đồ cụm chuyển hóa khí thiên nhiên thành CO, CO2, H2 18

Hình 2.5 Sơ đồ cụm chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp 19

Hình 2.6 Sơ đồ cụm tách CO2 bằng dung dịch MDEA 20

Hình 2.7 Sơ đồ cụm chuyển hóa thành Metan 21

Hình 2.8 Sơ đồ chu trình tổng hợp Amoniac 22

Hình 3.1 Sơ đồ PFD của cụm nén CO2 33

Hình 3.2 Sơ đồ PFD của cụm phản ứng và thu hồi cao áp 33

Hình 3.3 Sơ đồ PFD của cụm phân hủy và thu hồi trung áp 36

Hình 3.4 Sơ đồ PFD cụm phân hủy và thu hồi thấp áp 37

Hình 3.5 Sơ đồ PFD của cụm cô đặc chân không 39

Hình 3.6 Sơ đồ PFD của cụm tạo hạt 40

Hình 3.7 Sơ đồ PFD của cụm xử lý nước ngưng 41

Hình 4.1 Chọn hệ phương trình nhiệt động trong Hysys 50

Hình 4.2 Lựa chọn cấu tử trong Hysys 51

Hình 4.3 Môi trường mô phỏng trong Hysys 51

Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng cụm xử lý lưu huỳnh trong nguyên liệu 59

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng cụm chuyển hóa khí thiên nhiên 61

Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng cụm chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp 68

Hình 5.4 Sơ đồ mô phỏng cụm tách CO2 bằng dung dịch MDEA 73

Hình 5.5 Sơ đồ mô phỏng cụm chuyển hóa thành Metan 75

Hình 5.6 Sơ đồ mô phỏng điều chỉnh tỷ lệ H2/N2 80

Hình 5.7 Sơ đồ mô phỏng quá trình nén khí 82

Hình 5.8 Sơ đồ mô phỏng chu trình tổng hợp Amoniac 85

Hình 5.9 Sơ đồ mô phỏng quá trình thu hồi Amoniac 91

Hình 5.10 Sơ đồ mô phỏng quá trình sản xuất hơi nước 93

Hình 6.1 Sơ đồ chung quá trình mô phỏng phân xưởng Urea 95

Hình 6.2 Sơ đồ mô phỏng cụm nén CO2 101

Hình 6.3 Sơ đồ mô phỏng khu vực tổng hợp Urea 103

Hình 6.4 Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi trung áp 105

Hình 6.5 Sơ đồ mô phỏng cụm phân hủy trung áp 106

Hình 6.6 Cụm phân hủy áp suất thấp 109

Hình 6.7 Thiết bị tiền cô đặc chân không 109

Hình 6.8 Cụm thu hồi thấp áp 110

Hình 6.9 Sơ đồ mô phỏng thiết bị cô đặc 112

Hình 6.10 Sơ đồ mô phỏng cụm xử lý nước ngưng 114

DANH MỤC BẢNG Bảng 5.1 Thành phần, lưu lượng các dòng nguyên liệu vào quá trình 55

Bảng 5.2 So sánh dòng H2 hồi lưu 59

Bảng 5.3 So sánh quá trình Reforming sơ cấp 64

Bảng 5.4 Các thông số vận hành của thiết bị Reforming sơ cấp 65

Bảng 5.5 So sánh quá trình Reforming thứ cấp 66

Bảng 5.6 Thông số vận hành của thiết bị Reforming thứ cấp 66

Bảng 5.7 So sánh quá trình chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao 70

Bảng 5.8 So sánh quá trình chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp 71

Bảng 5.9 So sánh quá trình tách CO2 74

Bảng 5.10 Các thông số vận hành của thiết bị Metan hóa 77

Bảng 5.11 So sánh thiết bị V-3011 78

Bảng 5.12 Kết quả mô phỏng quá trình điều chỉnh tỷ lệ H2/N2 81

Bảng 5.13 Kết quả mô phỏng của quá trình nén khí make up gas 83

Bảng 5.14 So sánh thiết bị tổng hợp Amoniac 87

Bảng 5.15 Số liệu thiết kế của các dòng sản phẩm 88

Bảng 5.16 So sánh thành phần, lưu lượng của các dòng sản phẩm 88

Bảng 5.17 So sánh tháp T-5051 91

Bảng 5.18 So sánh tháp T-5052 92

Bảng 6.1 Các tính chất dòng vào 100

Bảng 6.2 Thông số của các máy nén 100

Bảng 6.3 Các thông số thiết bị trao đổi nhiệt 100

Bảng 6.4 Các tính chất dòng sản phẩm CO2 101

Bảng 6.5 Các tính chất dòng vào 102

Bảng 6.6 Kết quả dòng 13 103

Bảng 6.7 Kết quả dòng 17 104

Bảng 6.8 Các tính chất dòng NH3 nguyên liệu 105

Bảng 6.9 Kết quả dòng Ammonia to Synthesis 106

Bảng 6.10 Kết quả dòng Vent 107

Bảng 6.11 Kết quả dòng Urea Solution 107

Bảng 6.12 Kết quả dòng Offgas 108

Bảng 6.13 Kết quả dòng Off Gas to V1006 110

Bảng 6.14 Kết quả dòng Urea solution to V1004 110

Bảng 6.15 Kết quả dòng Urea solution to E1014 110

Bảng 6.16 Kết quả dòng Offgas 111

Bảng 6.17 Kết quả dòng Bottom 112

Bảng 6.18 Kết quả dòng To treatment A 112

Bảng 6.19 Kết quả dòng To treatment B 112

Bảng 6.20 Kết quả dòng Prilling Section 113

Bảng 6.21 Dòng nước thải đi ra từ hệ thống xử lý chân không 113

LỜI NÓI ĐẦU

Việc sử dụng khí thiên nhiên để sản xuất phân đạm đã được Đảng và Chính phủquan tâm Do nguồn nguyên liệu chính để sản xuất phân bón có nguồn gốc từ dầu

mỏ Chính vì vậy, khi giá dầu mỏ tăng sẽ tác động đến đầu vào của ngành và giántiếp tăng chi phí vận chuyển và nhập khẩu phân bón

Nhà máy đạm Phú Mỹ là một khâu quan trọng trong chương trình Khí – ĐiệnĐạm và là một chủ trương lớn nhằm nâng cao giá trị sử dụng nguồn khí Bạch Hổ,Trũng Cửu Long và Nam Côn Sơn

Nhà máy đạm Phú Mỹ là nhà máy phân bón lớn và hiện đại đầu tiên của Tổngcông ty dầu khí Việt nam, nhằm đảm bảo sự ổn định và chủ trương cung cấp phânđạm cho phát triển nông nghiệp, góp phần quan trọng đảm bảo an ninh lương thực,thực hiện sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước

Nhà máy Đạm Phú Mỹ thuộc Tổng công ty Phân bón và Hóa chất Dầu khí, sửdụng công nghệ của hãng Haldor Topsoe của Đan Mạch để sản xuất khí Amoniac vàcông nghệ của hãng Snamprogetti của Italya để sản xuất phân Urê Đây là các côngnghệ hàng đầu trên thế giới về sản xuất phân đạm với dây chuyền khép kín, nguyênliệu chính đầu vào là khí thiên nhiên, không khí và đầu ra là Ammoniac và Urê Chutrình công nghệ khép kín cùng với việc tự tạo điện năng và hơi nước giúp nhà máyhoàn toàn chủ động trong sản xuất kể cả khi lưới điện quốc gia có sự cố hoặc không

đủ điện cung cấp

Với đề tài: “Mô phỏng nhà máy Đạm Phú Mỹ bằng phần mềm Hysys”.

Trong quá trình hoàn thành báo cáo, với vốn kiến thức còn hạn chế, điều kiện đithực tế chưa có nên gặp không ít khó khăn, do đó báo cáo trình bày không thể tránhkhỏi những sai sót Kính mong được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của quý thầy

cô và các bạn đọc để bài báo cáo đồ án của chúng Tôi được hoàn thiện hơn

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2015

Nhóm sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Việc sử dụng khí thiên nhiên để sản xuất phân đạm đã được Đảng và Chính phủquan tâm từ lâu Nhà máy đạm Phú Mỹ là một khâu quan trọng trong chương trìnhKhí – Điện – Đạm và là một chủ trương lớn nhằm nâng cao giá trị sử dụng nguồnkhí Bạch Hổ, Trũng Cửu Long và Nam Côn Sơn

Nhà máy Ðạm Phú Mỹ trực thuộc Công ty Cổ phần phân đạm và Hoá chất Dầukhí, được đặt tại khu công nghiệp Phú Mỹ I, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa-VũngTàu Nhà máy có vốn đầu tư 370 triệu USD, có diện tích 63 ha, là nhà máy đạm đầutiên trong nước được xây dựng theo dây chuyền công nghệ tiên tiến, đồng thời cũng

là một trong những nhà máy hoá chất có dây chuyền công nghệ và tự động hoá tiếntiến nhất ở nước ta hiện nay Cung cấp 40% nhu cầu phân urea trong nước, ÐạmPhú Mỹ có vai trò rất lớn trong việc tự chủ nguồn phân bón trong một nước nôngnghiệp như Việt Nam Trước đây, số ngoại tệ phải bỏ ra để nhập phân bón từ nướcngoài về là rất lớn trong khi nguyên liệu để sản xuất phân urea là nguồn khí đồnghành (Associated Gas) đang phải đốt bỏ ở các giàn khoan và nguồn khí thiên nhiên(Natural Gas) được phát hiện rất nhiều ở phía Nam Sản phẩm của Nhà máy ÐạmPhú Mỹ hiện đang được tiêu thụ rộng khắp trên thị trường trong nước, đặc biệt tạivựa lúa đồng bằng sông Cửu Long

Nhà máy được khởi công xây dựng theo hợp đồng EPCC (Chìa khóa trao tay)giữa Tổng công ty Dầu khí Việt Nam và tổ hợp nhà thầu Technip/Samsung, hợpđồng chuyển giao công nghệ sản xuất Ammoniac với Haldoe Topsoe (công suất1.350 tấn/ngày) và công nghệ sản xuất urea với Snamprogetti (công suất 2.200tấn/ngày)

+ Khởi công xây dựng nhà máy: 03/2001

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

+ Ngày ra sản phẩm ammonia đầu tiên: 04/2004

+ Ngày ra sản phẩm urea đầu tiên: 04/06/04

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

+ Ngày khánh thành nhà máy: 15/12/2004

Kể từ thời điểm những lô sản phẩm chính thức đầu tiên của Tổng công ty đượcđưa ra thị trường với thương hiệu Đạm Phú Mỹ, Tổng công ty đã thực hiện tốtnhiệm vụ vận hành sản xuất, nhập khẩu, kinh doanh, đạt các mục tiêu với kết quảcao và đóng góp quan trọng cho ngành dầu khí cũng như nền nông nghiệp nướcnhà

Hiện nay, Tổng Công ty đang cung cấp cho thị trường trong nước khoảng 40%nhu cầu phân đạm urea (tổng nhu cầu sử dụng phân đạm urea cả nước bình quânkhoảng 1.6 – 1.8 triệu tấn/năm) và 40% nhu cầu khí ammonia lỏng được sản xuất từnhà máy Đạm Phú Mỹ

1.2 Địa điểm xây dựng mặt bằng nhà máy

Nhà máy sản xuất phân đạm Phú Mỹ được xây dựng trong Khu công nghiệpPhú Mỹ-Huyện Tân Thành-Tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu với diện tích qui hoạch 63ha

Hình 1.1 Mặt bằng nhà máy sản xuất phân đạm Phú Mỹ

độ và áp suất cao.

1.5.2 Sản phẩm phụ Ammonia

Ammonia chủ yếu dùng để tổng hợp Urea, lượng thừa ra được đưa về bồn chứa,công suất 1350 tấn/ngày.

Ammonia là chất khí có công thức phân tử NH3, hóa lỏng ở điều kiện áp suấtthường và nhiệt độ thấp (khoảng –320C) hoặc ở điều kiện nhiệt độ thường và áp suấtcao (khoảng 15 bar), có mùi khai đặc trưng, độc, nặng hơn không khí, nên rất nguyhiểm khi bị rò rỉ với lượng lớn

1.6 Các phân xưởng trong nhà máy

1.6.1 Phân xưởng Ammonia

Sản xuất NH3 và CO2 làm nguyên liệu để tổng hợp Urea, gồm các công đoạnsau:

• Công đoạn khử lưu huỳnh: Chuyển hóa hợp chất của lưu huỳnh từ dạng hữu

cơ (mercaptan) thành lưu huỳnh vô cơ (khí H2S) Sau đó, H2S được hấp thụ bằng ZnO trong tháp hấp thụ R – 2002 A/B

• Công đoạn Reforming: gồm có Reforming sơ cấp và Reforming thứ cấp, nhằm chuyển hóa toàn bộ C2+ thành hỗn hợp khí CO, CO2, và H2

• Công đoạn chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp: chuyển hóa gần như hoàn toàn CO thành CO2

• Công đoạn khử CO2 bằng phương pháp hấp thụ sử dụng dung môi MDEA, nhằm chuẩn bị hổn hợp khí H2 và N2 để tổng hợp Ammonia và cung cấp khí nguyên liệu CO2 cho quá trình tổng hợp Urea

• Công đoạn methan hóa: nhằm chuyển hóa phần dư khí CO và CO2 còn lại trong khí tổng hợp để khỏi gây ngộ độc cho chất xúc tác trong thiết bị tổng hợp ở quá trình sau

• Công đoạn tổng hợp NH3: nhằm cung cấp NH3 cho quá trình tổng hợp Urea Phản ứng tổng hợp được tiến hành trong thiết bị phản ứng dưới tác dụng của xúc tác Fe, các oxit của Fe, kèm theo một chu trình lạnh nhằm thu NH3 tinh khiết

1.6.2 Phân xưởng Urea

Nhằm sản xuất Urea – là sản phẩm chính của nhà máy từ nguyên liệu chính làCO2 và NH3 đến từ phân xưởng Ammonia của nhà máy Bao gồm các quá trình sau:

- Tổng hợp Urea và thu hồi NH3, CO2 cao áp

- Tinh chế Urea và thu hồi NH3, CO2 trung áp và thấp áp

CHƯƠNG 2 PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT AMONIAC

2.1 Tổng quan về công nghệ

2.1.1 Vị trí phân xưởng tổng hợp Amoniac

Hình 2.2 Sơ đồ tổng quát các phân xưởng trong nhà máy Đạm Phú Mỹ

2.1.2 Công nghệ tổng hợp Amoniac

2.1.2.1 Nguyên liệu

Nguồn nguyên liệu chủ yếu là khí thương phẩm từ nhà máy chế biến khí Dinh

cố Thành phần khí nguyên liệu ngoài Methane (CH4) là chủ yếu (~ 84% mol) ngoài

ra còn có Etane (C2H6), Propane (C3H8) và Butane (C4H10)

Nguồn phụ trợ khác:

• 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 máyĐạm Phú Mỹ, nitơ là nguyên liệu để tổng hợp NH3

• 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 thành kim

loại như Ni, Pt, Pd …Trong nhà máy Đạm Phú Mỹ, Hydro được tạo ra nhờ phảnứng Reforming khí thiên nhiên bằng hơi nước và là nguyên liệu để tổng hợp NH3.

• Nguồn CO2

Khí CO2 là chất khí không màu, nặng hơn không khí, không duy trì sự sốngđộng vật nhưng là chất duy trì sự sống thực vật trong quá trình quang hóa Trongnhà máy Đạm Phú Mỹ, CO2 là nguyên liệu để tổng hợp Urê, được điều chế từ côngđoạn Reforming khí thiên nhiên

Hình 2.3 Sơ đồ các công đoạn sản xuất trong phân xưởng Amoniac

Hydrocacbon nguyên liệu được khử lưu huỳnh đến nồng độ vài ppb (<5ppb)trong bộ phận khử lưu huỳnh

Hydrocacbon nguyên liệu đã được khử lưu huỳnh được reforming bằng cáchđưa hơi nước và không khí vào trong khí nguyên liệu Khí sản phẩm chứa chủ yếu

là Hydro, Nitơ, CO, CO2 và hơi nước

Trong bộ phận tinh lọc khí, CO trước hết được chuyển hóa thành CO2 Sau đó,CO2 được loại bỏ khỏi khí tổng hợp trong khu vực tách CO2 bằng MDEA

CO và CO2 dư trong khí tổng hợp đi ra khỏi bộ phận tách CO2 được chuyển hóathành methan tại thiết bị methan hóa trước khi vào vòng tổng hợp

Khí tổng hợp đã qua tinh lọc được nén và sau đó dẫn đến vòng tổng hợpamoniac, nơi mà nó được chuyển hóa thành amoniac Nhằm giới hạn sự tích tụ củakhí argon và metan trong vòng tổng hợp, một dòng purge được thiết lập Amoniacthành phẩm dưới dạng lỏng được giảm áp trong khi các khí hòa tan, khí let-down vàkhí trơ được tách ra

2.1.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất Amoniac

- Nhiệt độ : 5350C

- Áp suất: 34.8 barg

- Xúc tác : Ni

- Tỷ lệ phần Mol : Hơi nước/Cacbon = 2.8

• Phản ứng Reforming thứ cấp: (nhằm chuyển hóa hoàn toàn lượng Metan còn dư sau phản ứng Reforming sơ cấp)

- Tỷ lệ phần Mol : Không khí/Cacbon = 3

• Phản ứng chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp: (nhằm chuyển hóa CO thành CO2)

2.2 Phân xưởng sản xuất Amoniac

2.2.1 Khử lưu huỳnh trong nguyên liệu khí thiên nhiên

Hình 2.4 Sơ đồ cụm xử lý lưu huỳnh trong nguyên liệu khí thiên nhiên

Khí nguyên liệu từ đường ống cấp khí Bạch Hổ được đưa vào máy nén khí

K-4011 để đảm bảo áp suất của khí đầu vào khoảng 40 barg, sau đó được gia nhiệt đếnnhiệt độ 3500C ở thiết bị E-2004-2 bằng nhiệt tận dụng của công đoạn Reforming sơcấp trước khi đưa vào thiết bị Hydro hóa R-2001 Tại đây xảy ra phản ứng:

RSH + H2 = RH + H2S trên nền xúc tác Co-Mo ở nhiệt độ 4000C, áp suất 38.2barg (H2 của quá trình được cấp từ máy nén khí tổng hợp K-4031) Khí H2S thoát rasau phản ứng Hydro hóa được đưa qua thiết bị hấp phụ R-2002 A/B, tại đây xảy raquá trình hấp phụ H2S bằng chất hấp phụ ZnO

Khí sau quá trình sẽ loại bỏ được phần lớn thành phần các hợp chất lưu huỳnhnhằm tránh làm ngộ độc xúc tác tổng hợp Amoniac trong các giai đoạn sau

2.2.2 Chuyển hoá khí thiên nhiên thành CO, CO 2 , H 2

Hình 2.5 Sơ đồ cụm chuyển hóa khí thiên nhiên thành CO, CO 2 , H 2

Hỗn hợp khí sau khi loại bỏ lưu huỳnh được trộn lẫn với hơi nước đã xử lý từthiết bị T-7001 được chuyển đến thiết bị Reformer sơ cấp H-2001 với áp suất 34.8barg, nhiệt độ 5350C Tại đây, hỗn hợp khí thiên nhiên (Cacbua Hydro) đượcchuyển hóa thành CO, CO2, H2 trên xúc tác Ni Do quá trình phản ứng chuyển hóaCacbua Hydro thu nhiệt nên thiết bị H-2001 được thiết kế hệ thống vòi đốt khí thiênnhiên để cấp nhiệt cho phản ứng bằng phương pháp truyền nhiệt bức xạ qua thànhthiết bị Khí thải sau khi được thu hồi nhiệt độ để sản xuất hơi nước quá nhiệt cao

áp và gia nhiệt sơ bộ khí nguyên liệu đầu vào, giảm nhiệt độ đến 1620C và thổi đếnống thải SK-2001 bởi quạt khí K-2001

Để chuyển hóa hết toàn bộ Cacbua Hydro, hỗn hợp khí sau phản ứng đượcchuyển đến thiết bị Reformer thứ cấp R-2003 với áp suất 30.9 barg, nhiệt độ 7830C.Tại đây, hầu hết Cacbua hydro được chuyển hoá thành CO, CO2, H2O trên nền xúctác Ni Oxy của phản ứng được cấp ở áp suất 2.43 barg từ hệ thống cấp không khí

đã xử lý bởi máy nén không khí K-4021, gia nhiệt đến nhiệt độ 5500C bằng nhiệtcủa công đoạn Reforming sơ cấp

Phản ứng Reforming sơ cấp, Reforming thứ cấp được khống chế tỷ lệ Mol đểđảm bảo tỷ lệ Mol hợp lý giữa N2/H2 tối ưu cho giai đoạn tổng hợp Amoniac

2.2.3 Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp

Hình 2.6 Sơ đồ cụm chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp

Hỗn hợp khí từ thiết bị R-2003 (chủ yếu CO, CO2, Hơi nước, H2, N2, khí trơ,khoảng 0.6% mol Cacbua Hydro) áp suất 30.4 barg, nhiệt độ 9580C đưa đến lò hơinhiệt thừa E-2008, lò hơi quá nhiệt E-2009 giảm nhiệt độ đến 3600C trước khí đivào thiết bị chuyển hóa CO R-2004 Tại đây, quá trình chuyển hóa CO thành CO2 ởnhiệt độ cao được thực hiện, nhiệt độ phản ứng 3600C, áp suất 30.2 barg, xúc tácFe3O4, hiệu suất quá trình chuyển hóa khoảng 80%

Để quá trình chuyển hóa CO thành CO2 hoàn toàn, hỗn hợp khí từ R-2004 đượcgiảm nhiệt độ đến 1900C bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-2010 và E-2012 A/B trước khiđưa vào thiết bị chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp R-2005 Quá trình chuyển hóa COxảy ra ở nhiệt độ phản ứng 1900C, áp suất 29.1 barg, xúc tác Fe3O4/CuO

2.2.4 Tách CO 2 từ hỗn hợp khí sau R-2005

Hình 2.7 Sơ đồ cụm tách CO 2 bằng dung dịch MDEA

Hỗn hợp khí từ R-2005 (chủ yếu CO2, N2, H2, một ít CO, Cacbua Hydro, hơinước, khí trơ) được làm lạnh đến nhiệt độ 1580C bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-2013,tiếp tục làm lạnh đến 1120C bởi thiết bị trao đổi nhiệt tháp hấp thụ E-3002 và hâmnóng nước mềm trước khi vào thiết bị trích khí, chuyển đến thiết bị tách xử lý khíV-3004 trước khi đưa đến tháp hấp thụ CO2 T-3002 làm việc ở áp suất 27.5 barg,nhiệt độ 750C Tại đây, xảy ra quá trình hấp thụ chọn lọc CO2 bởi dung dịch hấp thụMDEA (Methyl DiEthanol Amin) Dịch ngậm CO2 từ đáy T-3002 được giảm áp đưađến thiết bị giảm áp áp suất cao V-3002 bằng turbine thuỷ lực HT-3001, tại đây xảy

ra quá trình tách khí (H2, N2…) ở áp suất 5.9 barg còn trong dung dịch

Dung dịch ngậm CO2 từ 3002 sẽ chuyển đến thiết bị giảm áp áp suất thấp

V-3001, tại đây xảy ra quá trình nhả hấp thụ CO2 ở áp suất thấp (áp suất 0.27 barg,nhiệt độ 72.40C) CO2 tinh khiết chuyển đến phân xưởng Urê được làm lạnh đếnnhiệt độ 450C bởi E-3006

Dung dịch còn ngậm một ít CO2 từ V-3001, V-3003 sẽ được bơm (P-3003 A/B)đến tháp tách tinh T-3001 làm việc ở áp suất khoảng 0.34 barg, nhiệt độ khoảng

1020C Tại đây tiếp tục xảy ra quá trình nhả hấp thụ CO2, khí CO2 từ đỉnh tháp

T-3001 được chuyển đến thiết bị giảm áp áp suất thấp V-T-3001, dung dịch từ đáy thápT-3001 được giảm nhiệt độ đến 500C bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-3001, E-3004, E-

3003 trước khi bơm hồi lưu về tháp hấp thụ T-3002 bởi bơm P-3002 A/B

Hiệu suất của quá trình có ảnh hưởng lớn đến sản lượng Urê, tiêu hao nănglượng, tiêu hao H2 trong quá trình Metan hóa.

2.2.5 Chuyển hóa thành Metan

Hình 2.8 Sơ đồ cụm chuyển hóa thành Metan

Hỗn hợp khí sau khi tách CO2 (chủ yếu N2, H2, khoảng 0,3% CO, 0,05% CO2,khí trơ, Cacbua Hydro, hơi nước) được gia nhiệt từ 500C đến 3000C bởi thiết bị traođổi nhiệt E-3011, E-2011, áp suất 26.6 barg trước khi đi vào thiết bị phản ứngchuyển hóa thành Metan R-3001 trên nền xúc tác Ni

Thành phần CO + CO2 trong hỗn hợp khí sau khi đã chuyển hóa Metan phảinhỏ hơn 10 ppm Quá trình này thực hiện nhằm chuyển hóa hoàn toàn CO, CO2thành CH4 vì các hợp chất Cacboxyl làm ngộ độc xúc tác, phá huỷ máy nén khí tổnghợp (tạo hợp chất Cacbarmat) trong quá trình tổng hợp Amoniac

2.2.6 Chu trình tổng hợp Amoniac

Hình 2.9 Sơ đồ chu trình tổng hợp Amoniac

Dòng khí từ thiết bị R-3001 (chủ yếu N2, H2, khí trơ, HC, CO +CO2 < 10 ppm,một ít hơi nước) được làm lạnh đến nhiệt độ 74.40C bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-

3011 và giảm nhiệt đến nhiệt độ khoảng 43.30C bằng thiết bị làm lạnh cuối E-3012được đưa vào thiết bị tách nước V-3011, tại đây dịch ngưng tụ sẽ tách hoàn toàn rakhỏi dòng khí hoặc hồi lưu về bình tách V-3004 bởi bơm P-7005 A/B

Dòng khí từ thiết bị V-3011, áp suất 25.5 barg và dòng khí H2 thu hồi từ

PK-5001 được nén lên áp suất 132barg (hệ thống nén 3 cấp) và lạnh đến nhiệt độ 220Cbằng thiết bị làm lạnh E-5009 Hỗn hợp khí qua bình tách lỏng V-5009, tại đây nướcđược tách ra, dòng khí được tiếp tục làm lạnh xuống đến -50C bằng thiết bị làm lạnhE-5008 và được tách nước tại V-5001 Hỗn hợp khí sau đó được nâng lên 370C bởicác thiết bị trao đổi nhiệt dòng sản phẩm E-5007, E-5005 trước khi tuần hoàn lạimáy nén K-4031 và được nén đến 138 barg và nung nóng lên 2540C bằng nhiệt thừadòng sản phẩm E-5003 trước khi đi vào thiết bị tổng hợp Amoniac R-5001 trên nềnxúc tác Fe, tại đây quá trình tổng hợp Amoniac xảy ra

Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi thiết bị tổng hợp R-5001, trong đó NH3 chiếm17.1% thể tích có áp suất khoảng 135 barg, nhiệt độ 4410C làm nhiệt thừa cấp nhiệt

cho nồi hơi và cấp nhiệt cho khí tổng hợp bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-5001, E-5002,E-5003, E-5004, E-5005, E-5007 và được làm lạnh tại thiết bị trao đổi nhiệt E-5006,E-5008 xuống nhiệt độ -50C, NH3 lỏng sản phẩm sẽ được tách ra khỏi dòng nguyênliệu tại bình V-5001 đưa sang công đoạn làm lạnh Khí hỗn hợp đỉnh V-5001 gồmkhí nguyên liệu, N2 dư, H2 dư của dòng sản phẩm tuần trở lại nhằm làm tăng hiệusuất chuyển hóa.

Dòng sản phẩm sau thiết bị E-5007 được trích lấy phần hơi (chủ yếu khí khôngngưng) sang thiết bị làm lạnh E-5014 sau đó tách khí không ngưng tại bình V-5014chuyển đến công đoạn thu hồi H2, phần NH3 ngưng tụ được đưa về bình tách V-5001

Các thiết bị làm lạnh sử dụng tác nhân lạnh là NH3 trong chu trình làm lạnhdòng sản phẩm

Amoniac lỏng sau khi tổng hợp đươc chuyển đến bình giảm áp V-5002

2.2.7 Công đoạn làm lạnh bằng Amoniac

Amoniac lỏng được cấp cho các thiết bị làm lạnh khí công nghệ tại các thiết bịtrao đổi nhiệt E-5008, E-5014 sau khi bốc hơi thành khí NH3 ở áp suất khoảng 2barg, nhiệt độ khoảng -90C được đưa vào cấp 1 của máy nén K-4041 Khí NH3 ra ởcấp 1 máy nén K-4041 có áp suất khoảng 7 barg, nhiệt độ khoảng 83.80C, được đưavào thiết bị làm lạnh bằng nước để giảm nhiệt độ xuống còn khoảng 470C, trộn vớikhí NH3 bốc hơi tại các thiết bị E-5006, E-5009 đi vào cấp 2 máy nén K-4041 KhíNH3 ra ở cấp 2 máy nén K-4041 có áp suất khoảng 16.8 barg, nhiệt độ khoảng

1080C được làm lạnh bằng nước tại thiết bị E-5010 A/B đến nhiệt độ khoảng41.50C, khí NH3 ngưng tụ thành lỏng được chứa tại bình V-5004 và tuần hoàn trở lạicác thiết bị E-5006, E-5009, E-5008, E-5014 để làm lạnh các khí công nghệ theochu trình khép kín

Một phần nhỏ khí trơ (gồm H2, N2, CH4, Ar, một ít khí NH3) tại bình chứa

V-5004 được đưa về cụm thu hồi NH3 V-5005 để thu hồi lại khí NH3

Amoniac lỏng tại bình V-5002, một phần sẽ gia nhiệt đến nhiệt độ khoảng 250Cbằng thiết bị E-5012 để đưa đến phân xưởng sản xuất Urê Một phần được giảm áptại bình V-5003 đến áp suất 0.05 barg, nhiệt độ NH3 lỏng đạt -32.90C trước khi bơm

về bồn chứa bởi bơm P-5001 A/B

2.2.8 Công đoạn thu hồi khí NH 3 và H 2

Khí thải từ chu trình tổng hợp NH3 tại bình V-5014 có áp suất khoảng 131 barg,nhiệt độ khoảng -50C, có hàm lượng H2 = 64.12%, NH3 = 4.15% được đưa vào tháphấp thụ cao áp T-5051 bằng nước để thu hồi khí NH3, khí ra ở đỉnh tháp được đưavào hệ thống thiết bị tách H2 PK-5001 Phần khí giàu H2 từ PK-5001 (khoảng 95%H2) được hồi lưu về máy nén khí tổng hợp K-4031 để làm khí nguyên liệu sản xuấtNH3, phần khí có hàm lượng H2 thấp được đưa về làm khí nguyên liệu cho thiết bịReformer sơ cấp H-2001

Các khí thải khác có chứa khí NH3 từ các bình chứa V-5002, V-5005 được đưavào tháp hấp thụ bằng nước trung áp T-5052 để hấp thụ khí NH3, khí ra khỏi T-5052được đưa đến thiết bị Reformer sơ cấp H-2001 làm khí nguyên liệu Nước sau khihấp thụ NH3 từ đáy thiết bị hấp thụ T-5051 và T-5052 được đưa sang tháp chưng cấtNH3 T-5053, khí từ đỉnh tháp chưng cất có hàm lượng NH3 đạt 99% được làm lạnh

và ngưng tụ thành NH3 lỏng chuyển về bình chứa V-5002

Dung dịch từ đáy tháp chưng cất T-5053 có hàm lượng NH3 nhỏ được làm lạnhbằng nước lạnh đến nhiệt độ khoảng 470C sau đó bơm vào tháp hấp thụ T-5051 vàT-5052 bởi bơm P-5054 và P-5051 A/B để hấp thụ NH3 trong khí thải

2.2.9 Hệ thống sản xuất hơi nước

Hơi nước sử dụng để cung cấp cho các quá trình công nghệ (cung cấp cho phânxưởng Reforming sơ cấp, thức cấp, ) cấp cho hệ thống turbine hơi dẫn động cácmáy nén, bơm Hệ thống hơi nước được chia làm 3 cấp áp suất ở các nhiệt độ khácnhau: Hơi nước siêu cao áp KS 108 barg và 5100C, hơi nước cao áp HS 38 barg, hơithấp áp LS 3.4 barg

• Hơi siêu cao áp KS 108 barg và 5100C

Hơi siêu cao áp được quá nhiệt trong E-2009, E-2003-2/1 trước khi đi vào tuốcbin hơi STK-4031

Tuốc bin hơi STK-4031 là loại trích và ngưng tụ với đầu vào là hơi siêu cao áp

và trích ra là hơi cao áp (39 barg và 3700C) được đưa vào mạng hơi cao áp Phầncòn lại được ngưng tụ trong E-4001

• Hơi nước cao áp HS 38 barg

Hơi cao áp được sản xuất bằng trích từ STK-4031, trong công đoạn 900 vàtrong công đoạn 800 của xưởng phụ trợ

Hơi cao áp được dùng để thoả mãn yêu cầu các thiết bị sau:

- STK-1001: Tuốc bin hơi cho máy nén CO2

- STK-4021: Tuốc bin hơi cho máy nén không khí công nghệ

- STK-4041: Tuốc bin hơi cho máy nén NH3

- STK-2001: Tuốc bin hơi cho quạt khói thải

- STP-8001: Tuốc bin hơi cho bơm cao áp

- STP-8002: Tuốc bin hơi cho bơm trung áp

- B-8001/STK-1: Tuốc bin hơi cho quạt không khí cấp lò hơi

- Xưởng NH3: Hơi công nghệ đến reforming

• Hơi thấp áp LS 3.4 barg

Hơi thấp áp được dùng để thoả mãn yêu cầu các thiết bị sau:

- V-8001/10-PK-8004: Chuẩn bị nước cấp lò hơi

- Xưởng NH3

- Hệ thống khí nhiên liệu: Gia nhiệt vỏ ống

Thông thường các hộ tiêu thụ hơi không sử dụng hết lượng hơi thấp áp, cho nênhơi thấp áp thừa sẽ cấp vào các tuốc bin hơi STK-4021 và STK-4041

CHƯƠNG 3 PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT UREA

3.1 Giới thiệu về urea

3.1.1 Lịch sử phát triển

Urea được Hilaire Rouelle phát hiện từ nước tiểu vào năm 1773 và đượcFriedrich Woehler tổng hợp lần đầu tiên từ ammonium sulfate (NH4)2SO4 vàpotassium cyanate KOCN vào năm 1828 Đây là quá trình tổng hợp lần đầu mộthợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ và nó đã giải quyết được một vấn đề quan trọngcủa một học thuyết sức sống

Năm 1870, urea đã được sản xuất bằng cách đốt nóng cacbamate ammoniumtrong một ống bịt kín Điều này là nền tảng cho công nghệ sản xuất urea côngnghiệp sau này

Cho tới những năm đầu thế kỷ 20 thì urea 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 urea Những hãng đứng đầu

về cung cấp chuyển giao công nghệ sản xuất urea trên thế giới như: Stamicarbon(Hà Lan), Snamprogetti (Italia), TEC (Nhật Bản)…Các hãng này đưa ra công nghệsản xuất urea tiên tiến, mức tiêu phí năng lượng cho một tấn urea sản phẩm rất thấp

3.1.2 Tính chất của Urea

3.1.2.1 Tính chất vật lý

Urea là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử là CON2H4 hoặc (NH2)2CO, tênquốc tế là Diaminomethanal

Ngoài ra urea còn được biết với tên gọi là Carbamide, Carbonyl diamide Urea

có màu trắng, dễ hòa tan trong nước, ở trạng thái tinh khiết nhất urea không mùimặc dù hầu hết các mẫu urea có độ tinh khiết cao đều có mùi khai

3.1.2.2 Tính chất hóa học

Khi hòa tan trong nước, Urea thủy phân rất chậm để tạo thành ammoniumcarbamate cuối cùng phân hủy thành ammoniac và dioxyde carbon Phản ứng này là

cơ sở để sử dụng urea làm phân bón

Về mặt thương mại, urea được sản xuất ra bằng cách loại nước trực tiếpammonium carbamate NH2COONH4 ở mức áp suất và nhiệt độ cao Người ta thuđược ammonium carbamate bằng cách cho phản ứng trực tiếp NH3 với CO2 Haiphản ứng được tiến hành liên tục trong tháp tổng hợp cao áp

Ở điều kiện áp suất thường và tại điểm nóng chảy của nó, urea phân hủy thànhammoniac, biureat (1), acid cyanuric (2), ammelide (3) và triureat (4) Biureat là sảnphẩm phụ chủ yếu có trong urea Nếu trong sản phẩm phân bón đạm Urea mà hàmlượng biureat vượt quá 2% trọng lượng sẽ gây độc hại đối với cây trồng

NH2

O N H N

O

NH2

O N

H N

O O

NH2 (2)

Trong môi trường chân không ở nhiệt độ180 190 C  0 , urea sẽ thăng hoa và

chuyển hóa thành xianua ammonium NH4OCN (5)

Urea cứng hòa tan trong NH3lỏng và hình thành hợp chất urea-ammoniac hỗnhợp không ổn định CO(NH2)2NH2 phân hủy ở450 Co

Urea và acid malonic phản ứng cho ra đời chất acid barbituric (7), một hợp chấtquan trọng trong ngành hóa dược

3.1.2.3 Ứng dụng

• Trong nông nghiệp- công nghiệp Urea được sử dụng để:

- Làm phân bón, kích thích sinh trưởng, giúp cây phát triển mạnh, thích hợp vớirau xanh, lúa… Urea cứng có chứa 0,8 đến 2,0% trọng lượng biureat ban đầu đượcbón trực tiếp cho đất dưới dạng nitơ Các loại dịch urea loãng hàm lượng biureatthấp (tối đa khoảng 0,3% biureat) được dùng bón cho cây trồng dưới dạng phân bónlá

- Urea được dùng trong nhiều loại phân bón rắn có các dạng công thức khácnhau như photphat urea amôn (UAP); sunphat ammonium urea (UAS) và ureaphophat (urea + acid photyphoric) Dung dịch urea nồng độ cao có hàm lượng nitơcao và điểm kết tinh thấp phù hợp cho việc vận chuyển lưu thông phân phối bằng hệthống ống dẫn hay phun bón trực tiếp

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

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

- Các loại nhựa urea được polyme hóa từng phần để dùng cho ngành côngnghiệp dệt 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 urea-fomandehit Ureaphân hủy ở nhiệt độ và áp suất cao để sản xuất các loại nhựa melamin

- Được dùng trong một số ngành sản xuất thuốc trừ sâu

- Urea cũng được sử dụng như là chất phản ứng trong một số gạc lạnh sử dụng

để sơ cứu, do phản ứng thu nhiệt tạo ra khi trộn nó với nước

• Trong nghiên cứu và y học

- Urea được sử dụng trong các sản phẩm da liễu cục bộ để giúp cho quá trình táihiđrat hóa của da

- Do urea được sản xuất và bài tiết khỏi cơ thể với một tốc độ gần như khôngđổi, nồng độ urea cao trong máu cho thấy vấn đề với sự bài tiết hoặc là sự sản xuấtquá nhiều urea trong cơ thể

- Nồng độ urea cũng có thể tăng trong một số rối loạn máu ác tính (ví dụ : bệnhbạch cầu và bệnh Kahler)

3.2 Công nghệ urea

Mô tả công nghệ

Xưởng urea được mô tả qua các giai đoạn công nghệ chính như sau:

- Nén CO2

- Tổng hợp urea và thu hồi NH3, CO2 cao áp

- Tinh chế urea và thu hồi NH3, CO2 trung áp

- Tinh chế urea và thu hồi NH3, CO2 thấp áp

3.2.1 Tổng hợp urea và thu hồi NH 3 , CO 2 cao áp

Urea là sản phẩm được tạo thành qua phản ứng tổng hợp ammonia lỏng và khíCO2 Trong tháp tổng hợp urea 20R-1001, ammonia và CO2 phản ứng tạo thànhammonium carbamate, sau đó một phần ammonium carbamate tách nước tạo thànhurea

Các phản ứng xảy ra như sau:

2NH3 + CO2  NH2COONH4 + 32560 kcal/kmol (1at, 250C) NH2COONH4  NH2CONH2 + H2O - 4200 kcal/kmol (1at, 250C)

Ở điều kiện phản ứng (T=188-1900C, 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 Phản ứng thứ nhất tỏa nhiệt mãnh liệt trong khi đó phản ứng thứ hai thunhiệt yếu và xảy ra trong pha lỏng

Ammonia lỏng nạp liệu vào xưởng urea, từ xưởng ammonia tương ứng, đượclọc qua các thiết bị lọc ammonia FL-1002A/B, sau đó đi vào tháp thu hồi ammoniaT-1005 và được tập trung trong bồn chứa ammonia V-1005 Từ V-1005, ammoniađược bơm lên áp suất 22 barg bằng bơm tăng cường ammonia P-1005A/B Mộtphần ammonia này được đưa tới tháp hấp thụ trung áp T-1001, phần còn lại đi vàocụm tổng hợp cao áp

Ammonia vào cụm tổng hợp được bơm bằng bơm ammonia cao áp P-1001A/Blên áp suất khoảng 220 barg Trước khi vào tháp tổng hợp, ammonia được gia nhiệttrong thiết bị gia nhiệt sơ bộ ammonia E-1007, và được sử dụng làm lưu chất đẩytrong bơm phun carbamate J-1001, tại đây carbamate từ bình tách carbamate V-

1001 được đẩy lên áp suất tổng hợp

Hỗn hợp lỏng ammonia và carbamate đi vào đáy tháp tổng hợp urea, ở đây hỗnhợp này sẽ phản ứng với dòng CO2 nạp liệu

CO2 từ xưởng ammonia ở áp suất 0.18 barg và nhiệt độ 450C đi vào máy nénCO2 PK-1001 và được nén đến áp suất 157 barg

Một lượng nhỏ không khí được đưa vào dòng CO2 ở đầu vào máy nén PK-1001

để thụ động hóa các bề mặt thép không rỉ của các thiết bị cao áp, từ đó bảo vệ chúngkhỏi bị 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 bịstripper E-1001, hoạt động ở áp suất 147 barg Đây là thiết bị phân hủy kiểu màngtrong ống thẳng đứng, trong đó lỏng được phân phối trên bề mặt gia nhiệt dưới dạngmàng và chảy xuống đáy nhờ trọng lực Thực tế, đây là thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ốngthẳng đứng, với môi trường gia nhiệt ở phía vỏ, và đầu ống được thiết kế đặc biệtcho phép sự phân phối đồng đều dung dịch urea Mỗi ống có một đầu phân phốikiểu lồng (ferrule) được thiết kế để phân phối đều dòng lỏng xung quanh thành ốngdưới dạng màng Các lỗ của đầu phân phối hoạt động như các đĩa; đường kính củacác lỗ và đầu phân phối sẽ điều khiển lưu lượng Khi màng lỏng chảy, nó được gianhiệt và quá trình phân hủy carbamate và bay hơi bề mặt xảy ra Hàm lượng CO2trong dung dịch giảm do sự stripping NH3 khi NH3 sôi Hơi tạo thành (gồmammonia và CO2) bay lên đỉnh ống Nhiệt phân hủy carbamate được cung cấp nhờ

sự ngưng tụ hơi bão hòa 21.8 barg

Dòng hỗn hợp giữa khí từ đỉnh thiết bị stripper và dung dịch thu hồi từ đáy tháphấp thụ trung áp T-1001 đi vào các thiết bị ngưng tụ carbamate E-1005A/B, ở đâychúng được ngưng tụ và được tuần hoàn về tháp tổng hợp R-1001 thông qua bơmphun carbamate J-1001

Sự ngưng tụ khí quá trình ở áp suất cao (khoảng 144 barg) tạo ra hơi bão hòa4.9 barg ở phía vỏ của thiết bị ngưng tụ carbamate thứ nhất E-1005A và hơi 3.4 barg

ở phía vỏ của thiết bị ngưng tụ carbamate thứ hai E-1005B

Từ đỉnh của bình tách carbamate V-1001, khí không ngưng bao gồm khí trơchứa một lượng nhỏ NH3 và CO2 được đưa trực tiếp vào đáy thiết bị phân hủy trung

áp E-1002

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

Phản ứng xảy ra mãnh liệt khi giảm áp và/hoặc tăng nhiệt.

• Ảnh hưởng tỷ lệ NH3/CO2

Như mô tả tại phản ứng 1, tỷ lệ mol lý thuyết của NH3/CO2 là 2 Sản phẩm ureathay đổi khi thay đổi tỷ lệ NH3/CO2 Khi tỷ lệ Mol NH3/CO2 thay đổi từ 2 đến 9, sảnphẩm urea thay đổi từ khoảng 40% đến 85% Trong khi đó, khi tỷ lệ Mol NH3/CO2thay đổi từ 2 đến 0.5, sản phẩm urea sẽ thay đổi từ khoảng 40% đến khoảng 45%

Từ đó thấy rõ rằng ảnh hưởng của lượng dư CO2 là rất nhỏ so với lượng dư NH3.Hơn thế nữa, dưới điều kiện giàu CO2, dung dịch sẽ trở nên ăn mòn hơn ảnh hưởngđến quá trình vận hành

Nói chung, hầu hết tất cả các nhà máy urea được vận hành dưới tỷ lệ NH3/CO2trong khoảng giữa 2.5 và 5.0

• 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 urea từ carbamate Nhưng nếu hàm lượng nước quá thấp thìnồng độ carbamate trở nên quá cao gây ra vấn đề nghẽn đường ống

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

• 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 cộng sự như sau: độ chuyển hóa tăng tỉ lệ với sự tăng nhiệt độ, độchuyển hóa cân bằng tối đa tồn tại xung quanh 196-2000C, NH3/CO2

Hình 3.10 Sơ đồ PFD của cụm nén CO 2

Hình 3.11 Sơ đồ PFD của cụm phản ứng và thu hồi cao áp

3.2.2 Tinh chế urea và thu hồi NH 3 , CO 2 trung áp

Quá trình làm sạch urea và thu hồi khí xảy ra ở áp suất 19.5 barg

Các thiết bị trao đổi nhiệt trong đó xảy ra quá trình làm sạch urea được gọi là

Dung dịch với hàm lượng CO2 thấp, từ đáy thiết bị stripper E-1001, được giãn

nở tới áp suất 19.5 barg và đi vào phần trên thiết bị phân hủy trung áp Thiết bị nàyđược 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 hủy kiểu màng trong ống E-1002A/B, ở đây carbamate được phân hủy 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 stripper V-1009, ở áp suất khoảng 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%wt

Khí giàu NH3 và CO2 ra khỏi bình tách đỉnh V-1002 được đưa vào phía vỏ củathiết bị cô đặc chân không sơ bộ E-1004, ở đó khí được hấp thụ riêng phần trongdung dịch carbonate đến từ cụm thu hồi 4 barg

Tổng nhiệt tạo thành từ phía vỏ, do ngưng tụ/hấp thụ/phản ứng của các chất,được dùng để bốc hơi dung dịch urea đến từ giai đoạn làm sạch thứ hai đến nồng độ84-86%wt, do đó cho phép tiết kiệm đáng kể lượng hơi thấp áp ở giai đoạn cô đặcchân không thứ nhất

Từ phía vỏ của thiết bị cô đặc chân không sơ bộ E-1004, pha hỗn hợp được đưavào thiết bị ngưng tụ trung áp E-1006, tại đây CO2 được hấp thụ gần như hoàn toàn

và nhiệt ngưng tụ/phản ứng được lấy đi nhờ nước làm mát từ thiết bị ngưng tụammonia E-1009

Từ E-1006 pha hỗn hợp chảy vào tháp hấp thụ trung áp T-1001, ở đây pha khítách ra sẽ đi vào bộ phận tinh chế Đây là tháp hấp thụ kiểu đĩa mũ chóp và xảy raquá trình hấp thụ CO2 và tinh chế NH3

Các đĩa được nạp liệu bằng dòng hồi lưu ammonia sạch, để cân bằng nănglượng 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 ammonia V-1005 và được đưa vào cột bằngbơm tăng áp ammonia P-1005A/B

Dòng NH3 và khí trơ bão hòa với vài ppm CO2 (20-100 ppm) ra khỏi đỉnh bộphận tinh chế, được ngưng tụ riêng phần trong thiết bị ngưng tụ ammonia E-1009.

Từ đây dòng 2 pha được đưa vào bồn chứa ammonia V-1005

Dòng không ngưng bão hòa ammonia rời V-1005 bay dọc trong tháp thu hồiammonia T-1005, ở đây một lượng ammonia được ngưng tụ nhờ dòng ammonialỏng đến xưởng ammonia

Dòng khí rời đỉnh T-1005 đi dọc trong tháp hấp thụ ammonia trung áp E-1011,

ở đây hàm lượng ammonia được giảm triệt để nhờ dòng dung dịch ammonia loãngngược chiều hấp thụ khí ammonia Khi ammonia trong pha khí được hấp thụ, nhiệttạo thành sẽ làm tăng nhiệt độ của dòng lỏng đi xuống, do đó làm cản trở sự hấp thụtiếp tục ammonia Để duy trì nhiệt độ thích hợp, một dòng nước làm mát được cungcấp ở phía vỏ của E-1011

Tháp rửa khí trơ trung áp T-1003, được nối vào phần trên của E-1011, gồm 3đĩa van, ở đây khí trơ được rửa lần cuối bằng nước sạch Hàm lượng ammonia trongdòng khí bay lên là thấp nhất Cuối cùng khí trơ được tập trung vào ống khói thải rangoài

Từ đáy của E-1011, dung dịch NH3 được tuần hoàn lại tháp hấp thụ trung áp

T-1001 bằng bơm P-1007A/B

Dòng ra khỏi đáy T-1001 được tuần hoàn bằng bơm dung dịch carbonate cao ápP-1002A/B về cụm thu hồi tổng hợp sau khi gia nhiệt sơ bộ ở phía ống của thiết bịgia nhiệt sơ bộ carbonate cao áp E-1013 Trong thiết bị trao đổi nhiệt này, lưu chấtgia nhiệt phía vỏ là nước ngưng quá trình từ đáy tháp chưng cất T-1002

Hình 3.12 Sơ đồ PFD của cụm phân hủy và thu hồi trung áp

3.2.3 Tinh chế urea và thu hồi NH 3 , CO2 thấp áp

Dung dịch với hàm lượng CO2 rất thấp ra khỏi đáy thiết bị phân hủy trung ápđược giãn nỡ đến áp suất 4 barg và đi vào phần trên của thiết bị phân hủy thấp áp.Thiết bị này được chia thành 3 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 cacbamate 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%wt

Khí ra khỏi V-1003 trước tiên được trộn với hơi từ bộ phận tinh chế của thápchưng T-1002, sau đó được đưa vào phía vỏ của thiết bị gia nhiệt sơ bộ ammoniacao 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 ammonia lỏng cao áp (nạp liệu vào tháp tổng hợpurea)

Dòng phía vỏ của E-1007 được đưa vào thiết bị ngưng tụ thấp áp E-1008, ở đâyhơi NH3 và CO2 còn lại được ngưng tụ hoàn toàn Nhiệt ngưng tụ được lấy đi nhờnước làm mát ở phía ống

Dung dịch carbonate ra khỏi E-1008 được thu hồi vào bồn chứa dung dịchcarbonate V-1006 Từ đây dung dịch carbonate được tuần hoàn về đáy tháp hấp thụtrung áp T-1001 bằng bơm P-1003A/B qua phía vỏ của thiết bị cô đặc sơ bộ E-1004

và sau đó qua thiết bị ngưng tụ trung áp E-1006

Một phần nhỏ dung dịch carbonate thấp áp cũng được dùng làm dòng hồi lưuvào 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 điềukhiển áp suất của giai đoạn thu hồi thứ hai T-1004 được nối với phần trên của E-

1012, nước làm mát được cung cấp để hấp thụ nhiệt

Hình 3.13 Sơ đồ PFD cụm phân hủy và thu hồi thấp áp