Đồ án nhập môn KTHH CH2000 Tổng quan về công nghệ sản xuất phân đạm

Đồ án nhập môn KTHH CH2000 Khái quát về ngành kĩ thuật hóa học trong nước và trên thế giới Khái quát về quá trình sản xuất phân đạm Giới thiệu chung về lịch sử, tình hình phát triển phân đạm Lý thuyết tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN HỮU CƠ – HÓA DẦU

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN ĐẠM

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Trung

Lớp: KTHH06 – K60

MSSV: 20153986

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Vũ

MỤC LỤC

Phần I: Khái quát về ngành kĩ thuật hóa học trong nước và trên thế giới 1

3 Chương trình đào tạo kỹ thuật hóa học tại trường đại học Bách

Khoa Hà Nội

2

1 Giới thiệu chung về lịch sử, tình hình phát triển phân đạm 3

2.1 Lý thuyết tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng

Phần I: Khái quát về ngành kĩ thuật hóa học trong nước và trên thế giới

1 Kỹ thuật hóa học là gì?

Kỹ thuật hóa học là một nhánh của khoa học ứng dụng cơ bản (vật lý và hóa học) và khoa học sự sống (vi sinh vật học và hóa sinh) cùng với toán học ứng dụng và kinh tế để tạo ra, chuyển hóa, vận chuyển, và sử dụng hóa chất, vật liệu

và năng lượng đúng cách Về cơ bản, các kỹ sư hóa học thiết kế các quy trình quy mô lớn để chuyển đổi các hóa chất, vật liệu thô, các tế bào sống, vi sinh vật

và năng lượng thành các dạng và sản phẩm hữu ích Kỹ thuật hóa học cũng quantâm đến vật liệu mới có giá trị tiên phong và khoa học như trong công nghệ nano các tế bào nhiên liệu, kĩ thuật y sinh,… Kỹ thuật hóa học chủ yếu liên quanđến thiết kế, cải tiến bảo trì các quá trình hóa học hoặc sinh học chuyển cho quy

mô lớn sản xuất Kỹ sư hóa học đảm bảo cho các quy trình được vận hành một cách an toàn, bền vững và kinh tế Kỹ sư kỹ thuật hóa học được sử dụng nhiều với tên kỹ sư quá trình Một thuật ngữ liên quan nhiều hơn là “Công nghệ hóa học” Kỹ sư hóa học thiết kế quy trình để đảm bảo hoạt động kinh tế nhất, điều này có nghĩa là toàn bộ dây chuyền sản xuất phải được quy hoạch và kiểm soát chi phí

Các quá trình được sử dụng bởi các kỹ sư hóa học (chưng cất hoặc lọc) được gọi là hoạt động đơn vị và bao gồm các phản ứng hóa học, nhiệt và lực chuyển giao hoạt động Hoạt động đơn vị được nhóm lại với nhau trong các cấu hình khác nhau với mục đích tổng hợp hóa học phân tích hóa học

Ba định luật vật lý cơ bản được sử dụng là bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng Sự chuyển động của khối lượng và năng lượng trên một quá trình hóa học được đánh giá bằng cách sử dụng cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng Luật áp dụng cho các bộ phận rời rạc của các thiết bị, hoạt động đơn vị hoặc toàn bộ một nhà máy Khi làm như vậy các

kỹ sư cũng phải sử dụng các nguyên tắc của nhiệt động học, động học phản ứng,

cơ chất lỏng và hiện tượng vận chuyển Chúng là công cụ trợ giúp mô phỏng quá trình

Thiết kế là làm việc thông qua một số giai đoạn, khái niệm quá trình và phản ứng hóa học, một sơ đồ sản xuất được thiết kế bao gồm tất cả các dòng vật chất trong quá trình này: từ vật liệu, quá trình và sản phẩm trung gian, hoạt động đơn

vị, chất thải, sản phẩm cuối Thiết kế sơ bộ được thực hiện để ước tính chi phí, không gian và các yêu cầu về môi trường để tiếp tục đánh giá tính khả thi của ý tưởng Sau giai đoạn đòi hỏi phải thiết kế và đặc điểm kỹ thuật của tất cả các phần và mỗi phần của các thiết bị quá trình đó và cuối cùng tính toán chi phí và lập kế hoạch dự án Giám sát thử nghiệm, công việc mô phỏng theo,chạy quá

trình và đảm bảo nó tiếp tục, có các cải tiến liên tục cho cuộc sống của quá trìnhnày.

2 Ứng dụng của kỹ thuật hóa học?

Kỹ thuật hóa học được ứng dụng trong nhiều loại sản phẩm, các ngành công nghiệp hóa học có phạm vi lớn, sản xuất hợp chất vô cơ, hữu cơ công nghiệp, gốm sứ, năng lượng và hóa dầu, hóa chất nông nghiệp (phân bón, thuốc trừ sâu,

…), chất dẻo, chất đàn hồi, chất nổ, chất tẩy rửa, hóa chất oleo, nước hoa,

hương liệu phụ gia, dược và mỹ phẩm,… Chế biến gỗ, chế biến thực phẩm, công nghệ môi trường, kỹ thuật dầu khí, thủy tinh, sơn và chất phủ, keo và chất kết dính,… có liên quan chặt chẽ với nhau

Kỹ thuật hóa học hiện đại bao gồm nhiều quá trình hơn các quá trình cũ Kỹ

sư hóa học thì đang tham gia vào sản xuất đa dạng hàng hóa được chuyên môn hóa, chuyên môn hóa chất Sản phẩm này bao gồm vật liệu hiệu suất cao cần thiết cho hàng không vũ trụ, điện tử, y sinh, quân sự ứng dụng Ví dụ như: sợi siêu bền, thuốc nhuộm tế bào, năng lượng mặt trời, vật liệu sinh học giả các bộ phân con người, dược phẩm,… Ngoài ra kỹ thuật hóa học thường gắn với sinh học và kỹ thuật y sinh Nhiều kỹ sư hóa học làm việc trên các dự án sinh học như biopolymers sự hiểu biết về protein và lập bản đồ gen người Ngày nay, cáclĩnh vực công nghệ hóa học là tới chế biến khoáng sản,…

3 Chương trình đào tạo kỹ thuật hóa học tại trường đại học Bách Khoa

Hà Nội

Ngành Kỹ thuật hóa học là ngành học liên quan đến sự phát triển sự hiểu biết

và thiết kế một cách có hệ thống của các hệ thống, quá trình hóa học phục vụ cho việc chuyển hóa từ nguyên liệu đến sản phẩm Đây là một ngành kỹ thuật quan trọng, kết hợp kiến thức hóa học và toán học cơ bản với các nguyên tắc kỹ thuật và có cân nhắc về các yếu tố kinh tế hiện thực Các lĩnh vực hoạt động củangành khác nhau từ nhỏ đến rất lớn Một đặc thù chủ yếu của kỹ thuật hóa học

là chuyển các kết quả nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm sang sản xuất

thương mại quy mô lớn.Kỹ thuật hóa học bao gồm những nguyên lý được ứng dụng trong một loạt các ngành công nghiệp đa dạng như hóa dầu, gốm sứ, lọc dầu, kim loại cơ bản, nhựa, công nghệ sinh học, chế biến thực phẩm, dược phẩm, thủy tinh và hóa chất nói chung

Tại trường đại học Bách Khoa, hệ đại học bao gồm các hệ:

 Cử nhân: Kỹ thuật hóa học, hóa học, công nghệ kỹ thuật hóa học, kĩ thuật in

và truyền thông (4 năm)

 Kỹ sư: Kỹ thuật hóa học, kỹ thuật in và truyền thông (5 năm)

Ngành kỹ thuật hóa học (có 10 chuyên ngành)

- Công nghệ hóa lý

- Công nghệ hữu cơ – hóa dầu

- Công nghệ các chất vô cơ

- Công nghệ vật liệu silicat

- Công nghệ xenluloza và giấy

- Công nghệ điện hóa và bảo vệ kim loại

- Quá trình – thiết bị công nghệ hóa học

- Công nghệ vật liệu polyme và compozit

- Công nghệ hóa dược và hóa chất bảo vệ thực vật

- Máy và thiết bị công nghiệp hóa chất – dầu khí

Chương trình đào tạo cử nhận và kỹ sư kỹ thuật hóa học nhằm đào tạo chung

về kiến thức hóa học, công nghệ hóa học thuộc các chuyên ngành khác nhau ở trên, đáp ứng yêu cầu về nguồn nhân lực cho xã hội Sau khi kết thúc chương trình cử nhân, sinh viên sẽ được nhận bằng cử nhân và có thể tiếp tục theo chương trình kỹ sư thuộc 10 chuyên ngành kể trên

Phần II: Khái quát về quá trình sản xuất phân đạm

1 Giới thiệu chung về lịch sử, tình hình phát triển phân đạm

1.1 Khái niệm và phân loại phân đạm

Phân đạm là tên gọi chung của các loại phân bón vô cơ cung cấp đạm cho cây Đạm là chất dinh dưỡng rất cần thiết và rất quan trọng đối với cây Đạm là nguyên tố tham gia vào thành phần chính của clorophin, prôtit, các axit amin, các enzyme và nhiều loại vitamin trong cây Bón đạm thúc đẩy quá trình tăng trưởng của cây, làm cho cây ra nhiều nhánh, phân cành, ra lá nhiều; lá cây có kích thước to, màu xanh; lá quang hợp mạnh, do đó làm tăng năng suất cây Phân đạm cần cho cây trong suốt quá trình sinh trưởng, đặc biệt là giai đoạn câysinh trưởng mạnh Trong số các nhóm cây trồng đạm rất cần cho các loại cây ăn

lá như rau cải, cải bắp, v.v

Có các loại phân đạm thường dùng sau dây:

 Phân urê

Phân urê (CO(NH2)2) có 44-48% nitơ nguyên chất Loại phân này chiếm 59% tổng số các loại phân đạm được sản xuất ở các nước trển thể giới Urê là loại phân có tỷ lệ nitơ cao nhất Trên thị trường có bán 2 loại phân urê có chất lượng giống nhau:

1 Loại tinh thể màu trắng, hạt tròn, dễ tan trong nước, có nhược điểm là hút

ẩm mạnh

2 Loại có dạng viên, nhỏ như trứng cá Loại này có thêm chất chống ẩm nên dễ bảo quản, dễ vận chuyển nên được dùng nhiều trong sản xuất nôngnghiệp

Phân urê có khả năng thích nghi rộng và có khả năng phát huy tác dụng trên nhiều loại đất khác nhau và đối với các loại cây trồng khác nhau Phân này bón thích hợp trên đất chua phèn

Phân urê được dùng để bón thúc Có thể pha loãng theo nồng độ 0.5–1.5% đểphun lên lá

Trong chăn nuôi, urê được dùng trực tiếp bằng cách cho thêm vào khẩu phầnthức ăn cho lợn, trâu bò Phân này cần được bảo quản kỹ trong túi pôliêtilen và không được phơi ra nắng Bởi vì khi tiếp xúc với không khí và ánh nắng urê rất

dễ bị phân huỷ và bay hơi Các túi phân urê khi đã mở ra cần được dùng hết ngay trong thời gian ngắn

Trong quá trình sản xuất, urê thường liên kết các phần tử với nhau tạo thành biuret Đó là chất độc hại biuret đối với cây trồng Vì vậy, trong phân urê không được có quá 1,5% biuret (theo tiêu chuẩn Việt Nam)

 Phân amoni nitrat

Phân amôn nitrat (NH4NO3) có chứa 33–35% nitơ nguyên chất Ở các nước trên thế giới loại phân này chiếm 11% tổng số phân đạm được sản xuất hàng năm

Phân này ở dưới dạng tinh thể muối kết tinh có màu vàng xám Amôn nitrat

dễ chảy nước, dễ tan trong nước, dễ vón cục, khó bảo quản và khó sử dụng Là loại phân sinh lý chua Tuy vậy, đây là loại phân bón quý vì có chứa cả NH4+ và

cả NO3-, phân này có thể bón cho nhiều loại cây trồng trên nhiều loại đất khác nhau Amôn nitrat bón thích hợp cho nhiều loại cây trồng cạn như thuốc lá, bông, mía, ngô…

Phân này được dung để pha thành dung dịch dinh dưỡng để tưới cây trong nhà kính và tưới bón thúc cho nhiều loại rau, cây ăn quả

 Phân amoni sunphat

Còn gọi là phân SA, sunphat đạm (NH4)2SO4 có chứa 20–21% nitơ nguyên chất Trong phân này còn có 24-25% lưu huỳnh (S) Trên thế giới loại phân này chiếm 8% tổng lượng phân hoá học sản xuất hàng năm Phân này có dạng tinh

thể, mịn, màu trắng ngà hoặc xám xanh Phân này có mùi nước tiểu (mùi

amôniac), vị mặn và hơi chua Cho nên nhiều nơi gọi là phân muối diêm

Sunphat đạm là loại phân bón tốt vì có cả N và lưu huỳnh là hai chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây

Phân này dễ tan trong nước, không vón cục Thường ở trạng thái tơi rời, dễ bảo quản, dễ sử dụng Tuy nhiên, nếu để trong môi trường ẩm phân dễ vón cục, đóng lại thành từng tảng rất khó đem bón cho cây

Có thể đem bón cho tất cả các loại cây trồng, trên nhiều loại đất khác nhau, miễn là đất không bị phèn, bị chua Nếu đất chua cần bón thêm vôi, lân mới dung được đạm sunphat amôn Phân này dung tốt cho cây trồng trên đất đồi, trên các loại đất bạc màu (thiếu S)

Đạm sunphat được dùng chuyên để bón cho các loại cây cần nhiều S và it N như đậu đỗ, lạc, v.v và các loại cây vừa cần nhiều S vừa cần nhiều N như ngô.Cần lưu ý là đạm sunphat là loại đạm có tác dụng nhanh, rất chóng phát huy tác dụng đối với cây trồng, cho nên thường được dung để bón thúc và bón thànhnhiều lần để tránh mất đạm

Khí bón cho cây con cần chú ý là phân này dễ gây cháy lá Không nên sử dụng phân đạm sunphat để bón trên đất phèn, vì phân dễ làm chua thêm đất

 Phân amoni clorua

Phân này ( NH4Cl) có chứa 24-25% nitơ nguyên chất Đạm clorua có dạng tinh thể min, màu trắng hoặc vàng ngà Phân này dễ tan trong nước, ít hút ẩm, không bị vón cục, thường tơi rời nên dễ sử dụng Là loại phân sinh lý chua Vì vậy, nên bón kết hợp với lân và các loại phân bón khác Đạm clorua không nên dung để bón cho thuốc lá, chè, khoai tây, hành, tổi, bắp cải, vừng, v.v

 Phân xianamit canxi

Phân này có dạng bột không có tinh thể, màu xám tro hoặc màu trắng, đốt không có mùi khai Xianamit canxi có chứa 20 – 21% N nguyên chất, 20 – 28% vôi, 9 – 12% than Vì có than cho nên phân có màu xám đen Cũng có loại phân

tỷ lệ than thấp hoặc không có than nên phân có màu trắng Cần chú ý chống ẩm cho phân khi bảo quản, bởi vì nếu phân hút ẩm sẽ bị biến chất, hạt phân phình tolên làm rách bao bì và làm hỏng dụng cụ đựng Phân này dễ bốc bụi Khi bám vào da sẽ làm hỏng da, phân bay vào mắt sẽ làm hỏng giác mạc mắt, vì vậy khi

sử dụng phân này phải rất cẩn thận Phân này có phản ứng kiềm, bởi vậy có thể khử được chua, dùng rất tốt ở các loại đất chua Xianamit canxi thường được dùng để bón lót Muốn dùng để bón thúc phải đem ủ trước khi bón Bởi vì phân

này khi phân giải tạo ra một số chất độc có thể làm hỏng móng chân trâu bò, hại

da chân người nông dân Thường sau 7 – 10 ngày các chất độc mới hết Thưởng xianamit canxi được trộn ủ với phân rác làm cho phân chóng hoai mục Phân này không được dùng để phun lên lá cây

 Phân amoni photphat

Là loại phân vừa có đạm, vừa có lân Trong phân có tỷ lệ đạm là 10-18%, tỷ

lệ lân là 44-50% Phôtphat đạm có dạng viên, màu xám tro hoặc trắng,nói chungmàu sắc tùy thuộc vào nhà sản xuất và không ảnh hưởng tới chất lượng Trên thịtrường hiện nay đang lưu hành hai loại phân bón ammonphot là DAP(18-46-0)và MAP(10-50-0) Phân dễ chảy nước Vì vậy, người ta thường sản xuất dưới dạng viên và được đựng trong các bao nilông Phân rất dễ tan trong nước và phát huy hiệu quả nhanh Phân được dùng để bón lót, bón thúc đều tốt Phân là loại dễ sử dụng Phân DAP là loại phân trung tính nên có thể sử dụng trên các loại đất khác nhau, còn phân MAP là loại chua sinh lý(pH: 4-4.5) nên không thích hợp đối với các loại đất chua Phân có tỷ lệ đạm hơi thấp so với lân, cho nên cần bón phối hợp với các loại phân đạm khác, nhất là khi bón cho các loại cây cần nhiều đạm

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển phân đạm

Ngành phân bón gắn liền với lịch sử ngành hóa chất Việt Nam Phôi thai từ thời kháng chiến chống Pháp, tuy nhiên sau khi hòa bình lập lại ngành mới có điều kiện phát triển

Đánh dấu bước ngoặt phát triển của ngành phân bón là năm 1959, chúng ta

đã khởi công xây dựng nhà máy supe phốt phát Lâm Thao Tháng 4 năm 1962, nhà máy đã chính thức đi vào hoạt động và xuất xưởng những tấn phân lân supe đầu tiên phục vụ nông nghiệp

Từ sản lượng 6 nghìn tấn phốt phát năm 1955 thì năm 1960 đã đạt 541,4 nghìn tấn, trong đó apatit là 490 nghìn tấn và phốt phát nghiền là 49.7 nghìn tấn ( tăng hơn 90 lần )

Đến nay, năng lực sản xuất phân vô cơ các loại đã đạt đến 8 triệu tấn/năm Đáp ứng khoảng 80% nhu cầu thị trường

1.3 Tình hình phân đạm ở nước ta

Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế có vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam, với hơn 60% dân số sống bằng nghề nông Vì vậy nhu cầu phân đạm cho nông nghiệp là rất lớn.

Ngành phân bón hiện nay có khá nhiều bất cập, cả nước có đến 500 doanh nghiệp sản xuất phân vô cơ Trong đó không ít công ty, doanh nghiệp làm ăn chộp giật đã biến ngành này trở nên hỗn loạn, mất kiểm soát

Hiện trạng sản xuất và quản lý phân đạm ở Việt Nam được thể hiện ở một số điểm sau:

 Quá nhiều đơn vị sản xuất phân đạm với quy mô nhỏ, cơ sở hạ tầng kém, máy móc đơn giản, v.v nên đã tạo ra sản phẩm có chất lượng kém

 Có nhiều loại phân đạm nên rất khó quản lý và hướng dẫn nông dân sử dụngPhân urê hiện tại năng lực trong nước đến thời điểm hiện tại là 2340 triệu tấn/ năm, bao gồm Đạm Phú Mỹ 800.000 tấn, Đạm Cà Mau 800.000 tấn, Đạm

Hà Bắc 180.000 tấn, Đạm Ninh Bình 560.000 tấn Như vậy, về urê sản xuất trong nước không những phục vụ đủ cho nhu cầu sản xuất nông nghiệp mà còn

có lượng để xuất khẩu

Phân DAP hiện sản xuất trong nước tại nhà máy DAP Đình Vũ 330.000 tấn/năm, từ năm 2015 có thêm nhà máy DAP Lào Cai công suất 330.000

tấn/năm Năm 2015 sản lượng trong nước đạt gần 1 triệu tấn DAP/năm, cơ bản đáp ứng đủ nhu cầu trong nước

Phân SA hiện tại nước ta chưa có nhà máy nào sản xuất SA và nhu cầu của nước ta vẫn là nhập khẩu 100% từ nước ngoài

Mặc dù môi trường kinh tế khó khăn hiện nay gần như làm suy yếu hầu hết các ngành kinh tế, song tình hình kinh doanh của ngành phân đạm vẫn tương đốitốt Nguyên nhân chủ yếu là do nhu cầu phân đạm ổn định và liên tục Cụ thể, hơn 60% dân số làm việc trong ngành nông nghiệp, diện tích đất canh tác tăng trung bình 1% một năm, và nhu cầu lương thực đang tăng với tốc độ lớn hơn tốc

độ tăng trưởng dân số Do đó, các nhà máy phân đạm trong nước sẽ có thể dễ dàng giới thiệu sản phẩm của họ

Tuy nhiên, mức lợi nhuận cao cũng như những biến động trong tăng trưởng lợi nhuận đều đã được ghi nhận Điều này là do giá ohaan bón trong nước bị phụthuộc vào giá phân bón trên thị trường thế giới vón đã bị giao động đáng kể từ cuộc khủng hoảng kinh tế năm 2008 Đặc biệt sản xuất dư thừa đã làm hạn chế tăng trưởng lợi nhuận của ngành phân bón Biên lợi nhuận ròng và tăng trưởng lợi nhuận đã giảm từ mức 12.9% và 60% trong năm 2011 xuống 10.46% và 1.17% trong năm 2012 Rõ ràng khi cung vượt cầu, và dưới áp lực thị trường giábán và lợi nhuận theo đó cũng bị sụt giảm theo.

1.4 Nhu cầu sử dụng phân đạm ở nước ta

Trước năm 1989, nước ta thiếu lương thực triền miên, hằng năm phải nhập khẩu lương thực với số lượng lớn, có năm trên 1 triệu tấn Năng suất lúa rất thấp, trung bình giai đoạn 1981-1985 chỉ đạt 24,25 tạ/ha Sản xuất nông nghiệp mang nặng tính tự cung tự cấp, nông dân chủ yếu sử dụng phân hữu cơ như phân chuồng, phân bắc, phân xanh,… bón cho cây trồng Tỉ lệ sử dụng phân vô

cơ (đạm) rất thấp, chủ yếu dựa vào một số nhà máy trong nước với sản lượng không đáng kể do nhà nước bao tiêu sản phẩm Tổng lượng chất dinh dưỡng hoàn trả lại cho đất thấp hơn rất nhiều so với lượng chấy dinh dưỡng mà nông sản lấy đi Năm 1985-1986 tổng lượng chất dinh dưỡng (N + P2O5 + K2O) sử dụng là 385,5 nghìn tấn ( tương đương 1,1 triệu tấn phân bón các loại ) trên diệntích đất nông nghiệp khoảng 6990 nghìn ha Tỉ lệ 3 chất dinh dưỡng cơ bản cũng mất cân đối 1:0,23:0,05, tương đối nhiều đạm, quá ít kali, và ít lân; so với

tỷ lệ bình quân trên thế giới thời kỳ này là 1:0,47:0,36

Từ năm 1990, sản xuất nông nghiệp nước ta tăng trưởng nhanh và liên tục Năm 2004, tổng sản lượng lương thực quy thóc đạt trên 39 triệu tấn, xuất khẩu khoảng 4 triệu tấn gạo đứng thứ 2 thế giới, trên diện tích đất canh tác khoảng 13,8 triệu ha, trong đó đất trồng lúa là 4,02 triệu ha với hệ số quay vòng của đất

là 2,03-2,06 Tiêu dùng phân bón vô cơ ở nước cũng tăng nhanh trong 20 năm qua Nếu năm 1990 tổng lượng phân đạm urê tiêu dùng khoảng 0,8 triệu tấn thì năm 2003 lên tới 2,3 triệu tấn Năm 2004-2005 tiêu dùng khoảng 2,708 triệu tấn

dinh dưỡng cơ bản ( tương đương 7,5 tiệu tấn phân vô cơ ), tăng 7 lần so với năm 1985-1986 Sử dụng phân đạm tăng trung bình 9,5% / năm.

2 Công nghệ sản xuất phân đạm

2.1 Lý thuyết tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp

2.1.1 Lý thuyết tổng hợp urê

Urê là sản phẩm được tạo thành qua phản ứng tổng hợp ammoniac lỏng và khí CO2

Trong tháp tổng hợp urê, ammoniac và CO2 phản ứng tạo thành amoni

cacbamat, một phần ammonium cacbamat tách nước tạo thành urê

Các phản ứng xảy ra như sau:

2NH3 + CO2 NH2COONH4 + 32560 kcal/kmol cacbamat (Ở 1.033 kg/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 tốc phản ứng

Phần ammonium cacbamat tách nước được xác định bằng tỉ lệ các chất phản ứng khác nhau, nhiệt độ phản ứng và thời gian lưu trong tháo tổng hợp Phản ứng thứ nhất tỏa nhiệt mãnh 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 hủy (và thu hồi có liên quan) không thay đổi thành phần phản ứng được thực hiện ba bước sau:

Phản ứng phân hủy là phản ứng ngược chiều với phản ứng (1)

NH2-COO-NH4 2NH3 + CO2 (- nhiệt)

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

2.1.2 Ảnh hưởng tỷ lệ NH3/CO2

Hình: ảnh hưởng của tỷ lệ NH3/CO2

Theo phương trình phản ứng ở trên, phản ứng tạo urê thì tỷ số mol NH3/CO2

là 2 nhưng trong thực tế nhà máy chọn tỉ lệ NH3/CO2, trong khoảng từ 2,5 đến 5.Vì theo biểu đồ, khi tăng tỷ lệ mol NH3/CO2 từ 2 đến 9 thì hiệu suất phản ứng tăng từ 40-85% 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 kiện giàu CO2, dung dịch sẽ trở nên ăn mòn nhiều hơn và vận hành có vấn đề liên 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/CO2trong khoảng giữa 2.5 và 5.0

2.1.3 Ảnh hưởng tỷ lệ H2O/CO2

Từ phản ứng thứ hai, rõ ràng rằng lượng nước dư trong dung dịch phản ứng làm cản trở sự hình thành urê từ cacbamat Nhưng nếu hàm lượng nước quá thấpthì nồng độ cacbamat trở nên cao cùng với vấn đề nghẽn đường ống

Do đó, thông thường thì tỉ lệ mol H2O/CO2 là 0.4-1 trong các nhà máy công nghiệp

2.1.4 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 bởi Fréjacques và những người cộng sự như sau: độ chuyển hóa tăng tỉ lệ với sựtăng nhiệt độ, nhưng Otsuka và những người cộng sự đã báo cáo rằng độ chuyểnhóa cân bằng tối đa tồn tại xung quanh là 196-200oC

Phản ứng phân hủy là phản ứng ngược chiều với phản ứng (1)

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 áp suốt và/hoặc cung cấp nhiệt

2.2 Các phương pháp sản xuất urê

c COS + 2NH3 = NH2COSNH4

Nhiệt phân: NH2COSNH4 (NH2)2CO +H2S

COS rất độc, thường được dùng làm chất độc trong chiến tranh Hơn nữa phương pháp này đòi hỏi nhiệt độ, áp suất cao nên cũng ít được sử dụng

d 2NH3 + CO2 = NH2COONH4 (1)

NH2COONH4 t o ,p (NH2)2CO + H2O (2)

Đây là quá trình ngược với quá trình thủy phân carbonat amôn, hay nói cách khác đây là quá trình dehydrat hóa

Phản ứng (1) xảy ra nhanh và tỏa nhiệt được thực hiện đến cùng Phản ứng (2) là phản ứng thu nhiệt, xảy ra chậm và không hoàn thiện, hiệu suất chuyển hóa tính trên lượng CO2 khoảng 50 – 80 %.

Nhiệt độ quá trình sản xuất cao hơn nhiệt độ nóng chảy của urê nên urê trongquá trình sản xuất ở dạng nóng chảy, áp suất hơi lớn Nước tạo nên sự xuất hiện cabonat và sản phẩm trung gian là (NH4)2CO3 … Do đó cần phải chưng luyện làm sạch

Đây là nguyên tắc được áp dụng sản xuất ngoài thực tế Tuy nhiên quy trình sản xuất vẫn luôn được nghiên cứu để làm sao hạ thấp được giá thành sản phẩm

và giảm thiểu chất thải ra môi trường

Với những cải tiến quan trọng, ngày nay người ta ưu chuộng hai hệ thống sảnxuất urê theo nguyên tắc trên được gọi là “quy trình tận dụng” (stripping

process) giúp tiết kiệm chi phí cũng như năng lượng Một hệ thống dùng CO2 thu hồi (CO2 stripping process) và một hệ thống dùng NH3 thu hồi (ammonia stripping) Ngoài ra còn có hệ thống kết hợp sử dụng hai kỹ thuật trên

2.3 Công nghệ tổng hợp urê

Các phương pháp sản xuất urê từ khí thiên nhiên được sử dụng hiện nay trên thế giới, căn cứ vào khả năng thu hồi CO2 và NH3, đã phát triển thành ba công nghệ chính như sau:

- Công nghệ không thu hồi (Once-through process)

- Công nghệ thu hồi một phần (Partial recycle process)

- Công nghệ thu hồi hoàn toàn (Total recycle process)

Ngày nay, chỉ có công nghệ thu hồi hoàn toàn được áp dụng Tổng chuyển hóa NH3 khoảng 99% Kết quả không có sản phẩm phụ chứa nitơ tạo thành và việc sản xuất urê chỉ phụ thuộc vào việc cung cấp CO2 và NH3 từ xưởng NH3 Tuy nhiên, công nghệ này cũng đắt nhất về chi phí đầu từ và vận hành Việc phân hủy cacbamat được thực hiện bằng việc kết hợp gia nhiệt, giảm áp và quá trình stripping (quá trình này làm giảm áp suất riêng của một hoặc nhiều thành phần) Các công nghệ xuyên suốt hoặc thu hồi một phần thường đồi hỏi chi phí đầu tư thấp hơn, cũng như chi phí vận hành thấp hơn nhưng độ tin cậy giảm (do

sự phụ thuộc lẫn nhau của phân xưởng urê và các phân xưởng khác), tính linh hoạt giảm (do tỷ lệ các sản phẩm phụ) và khó đồng bộ giữa 2 phân xưởng Dịch urê thu được sau công đoạn phân hủy thường đạt nồng độ 65-77% Dịch này có thể được sử dụng để sản xuất các loại phân bón chứa nitơ hoặc chúng được cô đặc để sản xuất urê

 Công nghệ urê không thu hồi

Vấn đề chủ yếu của việc sản xuất urê là phân ly cacbamat amôn chưa chuyểnhóa và ammoniac dư của dung dịch urê tuần hoàn.

Cacbamat chưa chuyển hóa được phân hủy thành NH3 và khí CO2 bằng cách gianhiệt hỗn hợp dòng công nghệ ở điều kiện thấp áp Khí NH3 và CO2 thoát khỏi dịch urê và được sử dụng để sản xuất các muối amôn bằng cách hấp thụ NH3 trong acid sunfuaric và acid photphoric Một nhà máy như thế này sẽ có chi phí đầu tư tương đối thấp, 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 đi theo công nghệ không thu hồi ít có tính hấp dẫn, bởi vì nó sản xuất ra quá nhiều muối amôn với mức tuần hoàn nhỏ

 Công nghệ tuần hoàn dung dịch

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 thấp áp) được hấp thụ trong nước và được tái tuần hoàn trở lại cho tháp tổng hợp dung dịch

cacbamat amôn lỏng có chứa ammoniac Hầu như toàn bộ gần một nửa công suất urê của thế giới sản xuất ra đi theo công nghệ này

Hiện nay, phần lớn các nhà máy trên thế giới sản xuất urê theo các công nghệ sau:

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

- Công nghệ montedision

- Công nghệ stripping CO2 stamircarbon

- Công nghệ stripping NH3 snamprogetti

2.4 Công nghệ tạo hạt

Có ba phương pháp cô đặc dịch urê là cô đặc chân không, kết tinh và bốc hơi

ở áp suất khí quyển Phương pháp lựa chọn phụ thuộc vào hàm lượng biuret chophép sản xuất trong sản phẩm cuối Dịch urê bắt đầu phân hủy thành biuret và NH3 ở 100oC Phương pháp chung nhất của cô đặc dung dịch là bốc hơi Dịch được cô đặc cung cấp urê nóng chảy để hóa rắn Urê rắn cũng như phân bón khác có thể được sản xuất từ dạng nóng chảy theo 2 phương pháp cơ bản:

phương pháp phun (Prilling) và phương pháp kết hạt (Granulation) Để tăng cường độ cứng và khả năng chịu tác động của phân tử urê, urê formandehyd hoặc các hợp chất chứa forrmandehyd được thêm vào urê nóng chảy Các phụ gia này cũng làm giảm xu hướng kết tảng của urê và giảm hàm lượng bụi

Formandehyd phản ứng với urê tạo matylendi urê và giảm hàm lượng bụi Formandehyd phản ứng với urê tạo metylendi urê, đây là tác nhân quan trọng Một số dầu khoáng có thể được phun vào sau khi hoàn tất quá trình sản xuất urê.Các quá trình urê tạo ra dịch nước có chứa khoảng 10-87% urê Loại dịch này có thể dùng trực tiếp làm các chất phân bón huyền phù đạm hoặc làm các

chất dung dịch nittrat amôn mà trong những năm gần đây nhu cầu tăng nhanh Dịch urê có thể được cô đặc bằng cách bốc hơi hay kết tinh để phục vụ cho mục đích sản xuất phân bón hỗn hợn hay các sản phẩm khcas Urê đậm đặc được hóarắn dưới dạng tinh khiết như dạng hạt, viên, vẩy hay tinh thể.

Urê cứng có thể được vận chuyển bảo quản và sử dụng kinh tế hơn nhiều so với dịch lỏng Ngoài ra, dưới dạng rắn urê ổn định và việc hình thành biuret cứng không đáng kể

2.4.1 Bốc hơi

Nước nổi hơi khỏi dịch urê đã qua đốt nóng bằng hơi nước có thể trong điều kiện giảm áp có hay không việc bổ sung không khí nóng làm tác nhân sấy khô hoặc bằng quá trình bốc hơi cuốn theo không khí môi trường Vì việc hình thànhbiuret được kích thích bởi quá trình áp suất thấp nhiệt độ cao nên việc bốc hơi nói chung chỉ áp dụng cho trường hợp sản xuất phân bón urê nông nghiệp Mức biuret trung bình tăng lên khi đi qua thiết bị bốc hơi vào khoảng 0,4% tùy thuộc vào nồng độ Trong các quá trình tạo hạt dùng loại dung dịch 95 đến 96 % mức

độ hình thành biuret không đáng kể vì trong dòng ra của thiết bị bốc hơi hàm lượng urê thấp

Trong hầu hết các ứng dụng của ngành phân bón, hàn lượng biuret đến 2% trọng lượng sẽ không gây ảnh hưởng gì, nó phân giải trong đất và nitơ thấm vào đất và đi nuôi cây trồng Urê bón lá có thể gây ảnh hưởng độc tố khi tiếp xúc với các hạt và lá cuốn hay đối với một số hoa màu khác Nói chung hàm lượng biuret nhỏ hơn 0.25% trọng lượng là tốt nhất

2.4.2 Kết tinh với tái nóng chảy

Sự có mặt của biuret trong phân urê cấp kỹ thuật dùng trong ngành sản xuất nhựa plastic rất có hại Urê cứng thu được của quá trình kết tinh nói chung có độthuồn khá và phù hợp cho các ứng dụng trong nông nghiệp và y học

Dịch sản phẩm urê được nạp vào cho thiết bị kết tinh chân không, hoạt động ở

áp suất khoảng 8.0 KPa (60mmHg) và nhiệt độ là 60oC Hơi nước của dung dịchbốc ra được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ chân không làm lạnh bằng nước cólắp vòi phun chân không Vữa của thiết bị kết tinh (khoảng 30% trọng lượng urê) được đưa vào thiết bị ly tâm dạng đẩy liên tục Các tinh thể được phân ly khỏi dịch ban đầu, được rửa bằng nước sấy khô và đưa lên đỉnh tháp tạo hạt và đucợ tái nóng chảy trong một thiết bị nóng chảy tinh thể đốt nóng bằng hơi nước Bởi vậy người ta thu được sản phẩn urê nóng chảy thường có chứa khoảng 0,3% trọng lượng biuret và khoảng 0,2% trọng lượng ẩm Dịch ban đầu phân l trong

ly tâm được đốt nóng bằng hơi trong thiết bị đốt nóng kết tinh để cung cấp một lượng nhiệt tương ứng cho việc bốc hơi nước trong dung dịch và tuần hoàn trở

lại cho các thiết bị kết tinh để duy trì nồng độ thích hợp Một lượng nhỏ dịch ban đầu giàu biuret được thổi từ hệ thống vào để chống việc hình thành biuret.2.4.3 Tạo hạt

Cho đến thời gian gần đây urê mới được sản xuất theo công nghệ tạo hạt bằng tháp Urê sản phẩm thu được bằng phương pháp bốc hơi hay phương pháp nóng chảy tinh thể được phung dưới dạng hạt từ đỉnh của tháp hình trụ có độ cao khoảng 50-60m và cho phép rơi ngược dòng qua một dòng không khí được phát ra từ thiết bị làm lạnh tầng sôi ở dưới đáy tháp Trong một số nhà máy sản phẩm được qua sang và các hạt quá khổ không đúng tiêu chuẩn có thể được đưa tới cho khâu tái nóng chảy hay hòa tan, cô đặc lại hay tái tuần hoàn Các hạt phun khô thường được hình thành trong một thùng hình côn quay có khẩu độ thích hợp hoặc thiết bị khác sản sinh ra một lượng các hạt phun nhỏ được phân

bố đều trên mặt cắt ngang của tháp Cho đến thời gian gần đây, các hạt urê thường rất nhỏ tạo ra đường kính dung tích hạt trung bình khaongr 1,7mm.Hiện nay do áp dụng các loại tháp có độ cao hơn trước nhiều vào công nghệ

có sự cầu tiến nên kích thước hạt urê trung bình là 2,4mm là tăng tính pha trộn của sản phẩm khi trộn với các loại phân bón rắn khác Nói chung urê tạo hạt bằng tháp thường có độ cứng kém hownc ả đồ bền nghiền và độ chịu mài mòn

so với cùng loại được sản xuất bằng thiết bị phun, ngay cả khi người ta cho thêm formandehyd bổ sung vào cho dịch nóng chảy trước khi nạp cho tháp tạo hạt Công ty Stamicacbon gần đây đã thực hiện nhiều bước cải tiến trong lĩnh vực này và kết quả urê sản xuất ra có độ bền nghiền và độ chịu và đập tốt hơn.Các loại tháp tạo hạt cần phải có nhiều không khí và như vậy việc khống chế

ô nhiễm rất tốn kém Ngoài việc công nghệ tạo hạt có các ưu điểm linh hoạt như

cỡ hạt tối ưu mà nó còn tạo ra các sản phẩm có các thành phần lý học khá tốt

2.5 Quy trình sản xuất urê – Xưởng sản xuất urê nhà máy phân đạm Hà

Bắc

Để có mô tả chi tiết về quá trình sản xuất (từ nguyên liệu ra sản phẩm, thông tin về thiết bị sản xuất) em xin chọn nhà máy phân đạm Hà Bắc để cụ thể hóa các quá trình và chi tiết

2.5.1 Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất urê