LUẬN văn CÔNG NGHỆ hóa THIẾT kế PHÂN XƯỞNG sản XUẤT PHÂN đạm

Urê không chỉ được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp mà nó còn được ứng dụng trong nhiều nghành công nghiệp khác như: công nghiệp sản xuất nhựa, tổng hợp keo… Ngoài ra urê có cũng được

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

- -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT

PHÂN ĐẠM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN:

MSSV: 2092147

Lớp: Công Nghệ Hóa Học

Khóa: 35

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

MỤC LỤC HÌNH viii

MỤC LỤC BẢNG ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU 3

1.1 Giới thiệu về nhà máy 3

1.1.1 Sơ lược về nhà máy 3

1.1.2 Quy trình sản xuất 3

1.1.3 Sản phẩm 4

1.2 Quá trình hình thành 5

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PHÂN ĐẠM 7

2.1 Sơ lược về phân đạm 7

2.1.1 Khái niệm phân đạm 7

2.1.2 Phân loại phân đạm 7

2.1.2.1 Phân Urê 7

2.1.2.2 Phân Nitrat Amoni 11

2.1.2.3 Phân đạm sunphat 12

2.1.2.4 Phân đạm clorua 13

2.1.2.5 Phân cyanamide canxi 13

2.1.2.6 Phân đạm phosphate 14

2.2 Những nét nổi bật của phân đạm 15

2.3 Các công nghệ sản xuất phân đạm (urê) trên thế giới 15

2.3.1 Các phương pháp sản xuất urê 15

2.3.2 Công nghệ tổng hợp urê 16

2.3.3 Công nghệ tạo hạt urê 18

2.4 Cơ sở lý thuyết tổng hợp phân đạm (urê) 18

2.4.1 Cân bằng phản ứng tổng hợp urê 18

2.4.2 Động học quá trình tổng hợp urê 20

2.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp 20

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP URÊ TẠI NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU 25

3.1 Giới thiệu về công nghệ sản xuất tại nhà máy 25

3.2 Quá trình tổng hợp và tạo hạt tại nhà máy 25

3.2.1 Công đoạn nén khí CO2 26

3.2.2 Tổng hợp Urê và thu hồi 27

3.2.2.1 Tổng hợp urê và thu hồi CO 2 và NH 3 ở áp suất cao 27

3.2.2.2 Tinh chế urê và thu hồi 29

3.2.2.3 Cụm cô đặc chân không 34

3.2.3 Tạo hạt urê 35

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG VẬT LIỆU 38

4.1 Thiết bị phản ứng 38

4.1.1 Các thông số thiết kế ban đầu 38

4.1.2 Tính toán 38

4.2 Thiết bị phân hủy cao áp 42

4.2.1 Các thông số thiết kế ban đầu 42

4.2.2 Tính toán 43

4.3 Thiết bị phân hủy trung áp 44

4.3.1 Các thông số thiết kế ban đầu 44

4.3.2 Tính toán 45

4.4 Thiết bị phân hủy thấp áp 46

4.4.1 Các thông số thiết kế ban đầu 46

4.4.2 Tính toán 47

4.5 Thiết bị tiền cô đặc 48

4.5.1 Các thông số thiết kế ban đầu 48

4.5.2 Tính toán 49

4.6 Thiết bị cô đặc chân không 50

4.6.1 Các thông số thiết kế ban đầu 50

4.6.2 Tính toán 51

4.7 Thiết bị tạo hạt 53

4.7.1 Các thông số thiết kế ban đầu 53

4.7.2 Tính toán 53

CHƯƠNG 5: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 56

5.1 Thiết bị phản ứng 56

5.1.1 Các số liệu ban đầu 56

5.1.2 Tính toán cân bằng nhiệt 56

5.1.2.1 Lượng nhiệt vào 56

5.1.2.2 Lượng nhiệt ra khỏi thiết bị 57

5.2 Thiết bị phân hủy và thu hồi cao áp 61

5.2.1 Các số liệu ban đầu 61

5.2.2 Tính toán 61

5.2.2.1 Lượng nhiệt vào 61

5.2.2.2 Lượng nhiệt ra 62

5.3 Thiết bị phân hủy và thu hồi trung áp 64

5.3.1 Các số liệu ban đầu 64

5.3.2 Tính toán 64

5.3.2.1 Lượng nhiệt vào 64

5.3.2.2 Lượng nhiệt ra 64

5.4 Thiết bị phân hủy và thu hồi thấp áp 66

5.4.1 Các số liệu ban đầu 66

5.4.2 Tính toán 66

5.4.2.1 Lượng nhiệt vào 66

5.4.2.2 Lượng nhiệt ra 67

5.5 Thiết bị tiền cô đặc 69

5.5.1 Các số liệu ban đầu 69

5.5.2 Tính toán 69

5.2.2.1 Lượng nhiệt vào 69

5.2.2.2 Lượng nhiệt ra 69

5.6 Thiết bị cô đặc chân không 71

5.6.1 Các số liệu ban đầu 71

5.6.2 Tính toán 71

5.6.2.1 Lượng nhiệt vào 71

5.6.2.2 Lượng nhiệt ra 71

5.7 Tháp tạo hạt 74

5.7.1 Các số liệu ban đầu 74

5.7.2 Tính toán 74

5.7.2.1 Nhiệt vào tháp 74

5.7.2.2 Nhiệt ra khỏi tháp 75

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 76

6.1 Thiết bị phản ứng 76

6.1.1 Các số liệu thiết kế 76

6.1.2 Vật liệu chế tạo 76

6.2 Cấu tạo và các chi tiết bên trong thiết bị phản ứng 76

6.2.1 Cấu tạo bên trong thiết bị 76

6.2.2 Cấu tạo các đĩa lỗ, giá đỡ , bulông 78

6.2.3 Chi tiết ống phân phối bên trong 78

6.3 Tính toán thiết kế 78

6.3.1 Xác định chiều dày thân hình trụ của tháp 78

6.3.2 Xác định bề dày của đáy và nắp 80

6.3.3 Xác định đường kính ống nhập liệu của NH3 và dung dịch carbamate hồi lưu 81

6.3.4 Xác định đường kính ống nhập liệu của CO2 81

6.3.5 Xác định đường kính ống tháo liệu của thiết bị 82

6.3.6 Xác định trở lực của tháp 82

6.4 Thiết bị cô đặc 84

6.4.1 Các số liệu ban đầu 84

6.4.2 Tính toán 84

6.4.2.1 Tính kích thước buồng đốt 84

6.4.2.2 Tính kích thước buồng bốc 86

6.5 Tháp tạo hạt vòi phun tầng sôi 88

6.5.1 Các số liệu ban đầu 88

6.5.2 Tính toán 89

6.5.2.1 Kích thước tháp tạo hạt 89

6.5.2.2 Chiều cao tháp tạo hạt 89

6.5.3 Mô tả và lắp đặt 90

6.5.3.1 Mô tả 90

6.5.3.2 Hệ thống vòi phun trong thiết bị tạo hạt 91

CHƯƠNG 7: CÁC HỆ THỐNG PHỤ TRỢ VÀ NHU CẦU ĐIỆN, NƯỚC, KHÍ NÉN… 92

7.1 Nhu cầu điện nước của từng phân xưởng 92

7.2 Nguồn hơi nước và khí nén 93

7.2.1 Hơi nước và khí nén đầu vào xưởng urê 93

7.2.2 Nguồn hơi nước đầu ra xưởng urê 94

7.3 Hệ thống cung cấp hơi trong khu vực xưởng urê 94

7.4 Hệ thống nước rửa 95

CHƯƠNG 8: AN TOÀN LAO ĐỘNG 96

VÀ VỆ SINH CÔNG NGHIỆP 96

8.1 An toàn lao động 96

8.2 Vệ sinh công nghiệp 96

CHƯƠNG 9: LỰA CHỌN ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG 98

9.1 Địa điểm xây dựng phân xưởng 98

9.2 Giải quyết vần đề cấp thoát nước 98

9.3 Đảm bảo thuận lợi về giao thông vận tải 98

9.4 Đảm bảo điều kiện hợp tác với các phân xưởng liên quan 98

9.5 Đảm bảo yêu cầu vệ sinh công nghiệp 98

9.6 Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng 98

9.6.1 Về địa hình 98

9.6.2 Về địa chất 99

CHƯƠNG 10: NHẬN XÉT VÀ KIẾN NGHỊ 100

10.1 Nhận xét 100

10.2 Kiến nghị 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.1 Công thức cấu tạo của phân urê 8

Hình 2.2 Công thức cấu tạo của nitrat amoni 11

Hình 2.3 Công thức cấu tạo của đạm sunphat 12

Hình 2.4 Công thức cấu tạo của phân đạm Clorua 13

Hình 2.5 Công thức cấu tạo của cyanamide canxi 13

Hình 2.6 Công thức cấu tạo của phân đạm phosphate 14

Hình 2.7 Ảnh hưởng tỷ lệ NH3/CO2 21

Hình 2.8 Ảnh hưởng tỷ lệ H2O/CO2 22

Hình 2.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhiệt độ và áp suất 23

Hình 2.10 Ảnh hưởng của áp suất cân bằng và tỷ lệ NH3/CO2 24

Hình 3.1 Sơ đồ tổng thể công nghệ tổng hợp urê 25

Hình 3.2 Tháp tổng hợp urê 29

Hình 3.3 Thiết bị phân hủy cao áp 30

Hình 3.4 Thiết bị phân hủy trung áp 31

Hình 3.5 Thiết bị phân hủy thấp áp 32

Hình 3.6 Thiết bị tiền cô đặc và cô đặc 34

Hình 3.7 Thiết bị tạo hạt dạng vòi phun – tầng sôi của TEC 36

Hình 3.8 Sơ đồ dòng công nghệ tạo hạt urê của TEC 37

Hình 5.1 Cấu tạo thiết bị phản ứng 77

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần đặc tính của urê 8

Bảng 2.2 Hàm lượng ẩm của urê theo nhiệt độ 9

Bảng 4.1 Lưu lượng dòng vào và dòng ra ở thiết bị phản ứng 42

Bảng 4.2 Lưu lượng dòng vào và dòng ra tại thiết bị phân hủy cao áp 44

Bảng 4.3 Lưu lượng dòng vào và dòng ra tại thiết bị phân hủy trung áp 46

Bảng 4.4 Lưu lượng dòng vào và dòng ra tại thiết bị phân hủy thấp áp 48

Bảng 4.5 Lưu lượng dòng vào và dòng ra tại thiết bị tiền cô đặc 50

Bảng 4.6 Lưu lượng dòng vào và dòng ra tại thiết bị cô đặc 52

Bảng 4.7 Lưu lượng dòng vào và ra tại thiết bị tạo hạt 55

Bảng 5.1 Hiệu ứng nhiệt 56

Bảng 5.2 Nhiệt vào và nhiệt ra tại thiết bị phản ứng .60

Bảng 5.3 Nhiệt vào và nhiệt ra tại cụm phân hủy và thu hồi cao áp 63

Bảng 5.4 Nhiệt vào và nhiệt ra tại cụm phân hủy và thu hồi trung áp 65

Bảng 5.5 Nhiệt vào và nhiệt ra tại cụm phân hủy và thu hồi thấp áp 68

Bảng 5.6 Nhiệt vào và nhiệt ra tại thiết bị tiền cô đặc 70

Bảng 5.7 Nhiệt vào và nhiệt ra tại thiết bị cô đặc chân không 73

Bảng 5.8 Lượng nhiệt vào và nhiệt ra ở tháp tạo hạt 75

Bảng 7.1 Cung cấp năng lượng (được cung cấp từ trạm điện) 92

Bảng 7.2 Công suất điện, nước của từng phân xưởng trong một ngày 93

Bảng 7.3 Nguyên liệu phụ trợ đầu vào xưởng urê 93

Bảng 7.4 Nguyên liệu phụ trợ đầu ra xưởng urê 94

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công nghiệp việc sản xuất urê bằng phương pháp tổng hợp từ amoniac

và khí cacbonic được thực hiện vào năm 1868 do A.I Badarôp đưa ra

Urê là loại phân đạm chứa nhiều hàm lượng nitơ nhất (46%), có tác dụng tốt đối với việc nâng cao năng suất chất lượng sản phẩm cây trồng Urê không chỉ được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp mà nó còn được ứng dụng trong nhiều nghành công nghiệp khác như: công nghiệp sản xuất nhựa, tổng hợp keo… Ngoài

ra urê có cũng được sử dụng rộng rãi trong nghành công nghiệp dược phẩm và sản xuất sợi

Nước ta là một nước nông nghiệp, trên 70% dân số sống bằng nghề nông.Vì vậy, nông nghiệp là một ngành quan trọng cần được đầu tư phát triển để đảm bảo vấn đề an ninh lương thực và trở thành một cường quốc xuất khẩu lương thực, do

đó phân bón phục vụ nông nghiệp là rất quan trọng và cần thiết Hiện nay ở nước ta năng lực sản xuất phân bón phục vụ nông nghiệp của nhà máy vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sản xuất nông nghiệp trong nước Do đó hàng năm nước ta vẫn phải nhập khẩu một lượng khá lớn phân bón nông nghiệp của nước ngoài Theo dự báo của Bộ NNPTNT, trong năm 2013, nhu cầu tiêu thụ phân bón các loại trong nước vào khoảng trên 10,3 triệu tấn, trong đó nhiều nhất là phân NPK 3,8 triệu tấn, urê 2 triệu tấn Cân đối cung- cầu sản xuất phân bón trong nước, dự báo năm 2013, nước

ta sẽ phải nhập khẩu ít nhất 2,47 triệu tấn phân bón các loại Để đạt được mục tiêu

đó thì việc nghiên cứu tìm ra các loại phân bón mới có tác dụng nâng cao nâng suất chất lượng sản phẩm cây trồng và giá thành rẻ là điều rất cần thiết Đồng thời cũng phải nghiên cứu các biện pháp cải tiến công nghệ, thiết bị cũng như việc đầu tư thay thế các dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng cao năng suất chất lượng và hạ giá thành sản phẩm

Nguyên liệu để sản xuất urê là từ NH3 và CO2 Hiện nay ở nước ta có bốn nhà máy sản xuất urê là nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc ở Bắc Giang, nhà máy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu, nhà máy đạm Ninh Bình và nhà máy Đạm Cà Mau

Nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc đi từ nguồn nguyên liệu ban đầu là than đá tạo ra NH3 lỏng và khí CO2, sử dụng dây chuyền công nghệ tuần hoàn lỏng toàn bộ cho quá trình tổng hợp urê

Nhà máy Cà Mau ở Cà Mau sử dụng dây chuyền công nghệ của hãng Haldor Topsoe (Đan Mạch), của hãng Snamprogetti (Ý) và công nghệ tạo hạt của TEC

(Nhật Bản) đi từ nguồn nguyên liệu ban đầu là khí thiên nhiên, tạo ra NH3 lỏng và khí CO2 đưa và tổng hợp urê

Đứng trước nhu cầu thiết thực đó, chúng tôi thực hiện đề tài “Thiết kế phân

xưởng sản xuất phân đạm” từ kết quả tính toán được đem so sánh với số liệu thực

của phân xưởng

Phần tính toán thiết kế phân xưởng sản xuất urê dưới đây, được trình bày dựa trên dây chuyền công nghệ của nhà máy Đạm Cà Mau

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐẠM CÀ

MAU

1.1 Giới thiệu về nhà máy

1.1.1 Sơ lược về nhà máy

Nhà máy Đạm Cà Mau nằm trong khu công nghiệp cụm khí - điện - đạm Cà Mau, thuộc xã Khánh An, huyện U Minh, tỉnh Cà Mau

Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên Phân bón Dầu khí Cà Mau trực thuộc Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam sở hữu 100% vốn, thành lập ngày 9-3-

2011, quản lý và vận hành nhà máy Đạm Cà Mau

Nhà máy Đạm Cà Mau được khởi công xây dựng tháng 7 năm 2008, chủ đầu

tư là Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam với tổng mức đầu tư là 900 triệu USD, sau 45 tháng triển khai đã hoàn thành vào tháng 4 năm 2012 Nhà máy đi vào hoạt động sẽ

cơ bản đáp ứng đủ nhu cầu phân đạm của 13 tỉnh đồng bằng sông Cửu Long

Các cột mốc chính như sau:

 Khởi công xây dựng vào tháng 07 năm 2008

 Nhận khí đầu tiên: 15 tháng 10 năm 2011

 Hoàn thành cơ khí: 31 tháng 08 năm 2011

 Có sản phẩm thương mại đầu tiên: 31 tháng 01 nãm 2012

 Bắt đầu vận hành thương mại (PAC): 24 tháng 4 năm 2012

Công suất thiết kế:

Nhà máy đạm công suất ban đầu khoảng 800.000 tấn/năm, tương đương 2.385 tấn urea/ngày

Amoniắc lỏng 1.350 tấn/ngày, tương đương 468.450 tấn/năm

1.1.2 Quy trình sản xuất

Nhà máy Đạm Cà Mau được chia thành 3 xưởng công nghệ chính, bao gồm:

 Xưởng amoniac để sản xuất amoniac và CO2

 Xưởng urê bao gồm cụm tạo hạt, sản xuất urê 96% và tạo hạt cưỡng bức

 Xưởng phụ trợ cung cấp các nguồn phụ trợ như điện, hơi nước, nước sạch, khí nén, … cho toàn bộ nhà máy

Sơ đồ quy trình sản xuất:

Công nghệ nhà máy là công nghệ hiện đại nhất hiện nay cho sản xuất amoniac

và sản xuất urê với các công nghệ như sau:

 Công nghệ xưởng amoniac: Haldor Topsoe A/S - Đan Mạch và BASF – Đức (cho công đoạn thu hồi CO2)

 Công nghệ xưởng urê: Snamprogetti – Italia

 Công nghệ cụm tạo hạt: TEC (TOYO) – Nhật

Nguyên liệu chính: khí thiên nhiên

Tiêu thụ nguyên liệu tại 100% tải: 1.460.000 Sm3/ngày

Nguyên liệu của nhà máy là khí thiên nhiên được lấy từ đường ống PM3 Ðường ống dẫn khí bắt nguồn từ giàn Bunga Raya (BRA/B) tại Lô PM3 trong vùng thỏa thuận thương mại giữa Việt Nam - Malaysia & Lô 46 Cái Nước

Thành phần chính của khí thiên nhiên nguyên liệu đầu vào là các Hydrocarbon Hydrocarbon có hàm lượng lớn nhất là khí metan (CH4) chiếm khoảng 78% và CO2 chiếm khoảng 8%

1.1.3 Sản phẩm

Sản phẩm đạm hạt đục thể hiện những ưu điểm nổi bật như sau:

Độ cứng của hạt cao hơn các sản phẩm khác trên thị trường

Chậm tan, tránh thất thoát và giúp cây hấp thụ tốt hơn

Hàm lượng chất gây bạc màu biuret thấp

Chất lượng sản phẩm Đạm Cà Mau:

Hàm lượng Nitơ: lớn hơn 46,3 % khối lượng

Hàm lượng Biuret: nhỏ hơn 0,99 % khối lượng

Hàm lượng nước: nhỏ hơn 0,5 % khối lượng

Hàm lương formaldehyde (HCHO): nhỏ hơn 0,45%

Kích thước hạt: 2 – 4 mm (lớn hơn 90%), nhỏ hơn 1 mm (nhỏ hơn 1%)

Khí-Điện-là Ðan Mạch, Italia, Nhật Bản Nguồn nguyên liệu cung cấp cho nhà máy đạm Cà Mau là khí thiên nhiên khai thác từ các mỏ thuộc khu vực khai thác chung Việt Nam và Malaysia từ hệ thống đường ống chuyển tải dẫn khí dài 325 km về cụm công nghiệp Khí - Điện - Đạm Cà Mau Vào lúc 12 giờ 25 phút, ngày 24-11-2011, nhà máy Đạm Cà Mau vận hành an toàn và chạy thử thành công xưởng tạo hạt, một trong những công đoạn cuối cùng cho ra đời sản phẩm Đạm Cà Mau; nhân sự kiện

kỷ niệm 50 năm ngày truyền thống ngành dầu khí Việt Nam 27-11-2011 Theo kiểm định, đánh giá của các chuyên gia và kỹ sư, ưu điểm và lợi thế lớn nhất về chất lượng, đặc điểm sản phẩm u-rê thương hiệu "Ðạm Cà Mau": hạt lớn đồng đều, độ cứng cao, độ phân giải thấp, chậm tan, chống thất thoát đạm và giúp cây trồng hấp thu dinh dưỡng tốt nhất, hàm lượng biuret thấp, hiệu suất làm khô cao, rất thích hợp cho việc phối trộn phân đơn và vận hành linh hoạt, linh động trong việc điều chỉnh

kích cỡ hạt đạm Sản phẩm đạm u-rê hạt đục Cà Mau là sản phẩm mới, có chất lượng cao và đã được Trung tâm 3 - Tổng cục Ðo lường, Tiêu chuẩn, Chất lượng -

Bộ Khoa học và Công nghệ cấp chứng chỉ hợp quy định

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PHÂN ĐẠM

2.1 Sơ lược về phân đạm

2.1.1 Khái niệm phân đạm

Phân đạm cung cấp nitơ dưới dạng ion NO3- và ion NH4+

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 enzym 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 cây sinh trưởng mạnh Trong số các nhóm cây trồng, đạm rất cần cho các loại cây

ăn lá như rau cải, cải bắp…

2.1.2 Phân loại phân đạm

2.1.2.1 Phân Urê

Phân urê được Hilaire Rouelle phát hiện từ nước tiểu vào năm 1773 và được Friedrich Woehler tổng hợp lần đầu tiên từ ammonium sulfate (NH4)2SO4 và potassium cyanate KOCN vào năm 1828 Đây là quá trình tổng hợp lần đầu một hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ và nó đã giải quyết được một vấn đề quan trọng của một học thuyết sức sống Năm 1870, Phân urê đã được sản xuất bằng cách đốt nóng ammonium carbamate (NH2-COO-NH4) trong một ống 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, phân urê mới được sản xuất trên quy mô công nghiệp nhưng ở mức sản lượng rất nhỏ Sau chiến tranh thế giới thứ II, nhiều nước và hãng đã đi sâu cải tiến quy trình công nghệ để sản xuất urê Những hãng đứng đầu về cung 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 urê tiên tiến, mức tiêu phí năng lượng cho một tấn urê sản phẩm rất thấp

Urê là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử là CON2H4 hoặc (NH2)2CO Tên quốc tế: Diaminomethanal

Ngoài ra urê còn được biết với tên gọi là carbamide, carbonyl diamide

Hình 2.1 Công thức cấu tạo của phân urê

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

73% (30°C)

Urê là chất dễ hút ẩm từ môi trường xung quanh tại một nhiệt độ nhất định ứng với áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường lớn hơn áp suất hơi nước trên bề mặt urê

Urê sẽ hút ẩm khi độ ẩm môi trường xung quanh lớn hơn 70%, nhiệt độ

10-40oC

Bảng 2.2 Hàm lượng ẩm của urê theo nhiệt độ

Nhiệt độ o

C

Hàm lượng ẩm trong không khí (g/kg KKK)

Theo số liệu bảng trên thì urê thường bị hút ẩm do hàm lượng ẩm trong không khí cao, đặc biệt vào ngày hè, tiết trời ẩm thấp Để hạn chế việc hút ẩm, urê thường được đóng trong các bao PP, PE hoặc trong bao giấy nhiều lớp

b) Tính chất hóa học

Phân urê acid hóa đất:

(NH2)2CO + 4O2 = 2HNO3 +CO2 + H2O

Phân urê dễ bị phân hủy :

NH2CONHCONH2 → NH3 + HNCO (biuret có khả năng gây cháy lá)

- Ở nhiệt độ < 130oC:

(NH2)2CO + H2O → NH2COONH4

NH2COONH4 + H2O → (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 → NH3 + H2O + CO2

- Ở nhiệt độ > 130oC:

(NH4)2CO3 + H2O → 2NH3 + CO2Urê tác dụng với các axit tạo thành các muối khác nhau:

 Hợp chất muối Nitrat: (NH2)2CO.HNO3 ít tan trong nước, khi bị đốt nóng sẽ phân hủy và nổ

 Hợp chất muối phosphate: (NH2)2CO.H3PO4 hòa tan tốt trong nước và phân ly hoàn toàn

Urê có phản ứng với một số muối tạo thành các phức, thường có chứa tới 2 cấu tử phân bón như Ca(NH3)2.4CO(NH2)2

Ca(H2PO4)2.H2O + (NH2)2CO  CO(NH2)2.H3PO4 + CaHPO4.H2O

c) Ứng dụng của phân urê

Trong nông nghiệp:

 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% để phun lên lá

 Trong chăn nuôi, urê được dùng trực tiếp bằng cách cho thêm vào khẩu phần thức ăn cho lợn, trâu bò

 Trong quá trình sản xuất, urê thường liên kết các phần tử với nhau tạo thành biuret Biuret là sản phẩm phụ 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 Vì vậy, trong phân urê không được có quá 1,5% biuret (theo Tiêu chuẩn Việt Nam)

 Trong công nghiệp:

 Urê là nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa urê- formaldehyt

 Urê là chất thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay sương muối của lòng đường hay đường băng sân bay Urê không gây ra hiện tượng

ăn mòn kim loại như muối

 Urê như 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 xuất bánh quy

 Urê là một thành phần của một số dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước thơm Nó 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

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

 Do nồng độ urê được sản xuất và bài tiết khỏi cơ thể với một tốc độ gần như không đổi, nồng độ urê trong máu chỉ ra vấn đề với sự bài tiết hoặc trong một số trường hợp nào đó là sự sản xuất quá nhiều urê trong cơ thể

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

2.1.2.2 Phân Nitrat Amoni

Công thức hóa học: NH4NO3

2-

Phân nitrat amoni (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 nitrat amoni ở dưới dạng tinh thể muối kết tinh có màu vàng xám Nitrat amoni dễ chảy nước, dễ tan trong nước, dễ vón cục, khó bảo quản và khó sử dụng,

là loại phân sinh lý chua Tuy nhiên, nitrat amoni 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 Nitrat amoni bón thích hợp cho nhiều loại cây trồng cạn như thuốc lá, bông, mía, ngô…

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

2.1.2.3 Phân đạm sunphat

Công thức hóa học: (NH4)2SO4

Hình 2.3 Công thức cấu tạo của đạm sunphat Phân đạm sunphat còn gọi là phân SA (hay còn gọi là muối diêm), 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 đạm sunphat có dạng tinh thể, mịn, màu trắng ngà hoặc xám xanh, có mùi nước tiểu (mùi amoniac), vị mặn và hơi chua Phân đạm sunphat là loại phân bón tốt vì có cả nitơ 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 Phân đạm sunphat có thể đem bón cho tất cả các loại cây trồng, trên nhiều loại đất khác nhau, đất không bị phèn,

bị chua (nếu đất chua cần bón thêm vôi, lân) Phân này dùng tốt cho cây trồng trên đất đồi, trên các loại đất bạc màu (thiếu S) Đạm sunphat được dùng chuyên để bón cho các loài cây cần nhiều S và ít N như đậu đỗ, lạc và các loại cây vừa cần nhiều

S vừa cần nhiều N như ngô

2

Cần lưu ý phân đạm sunphat là loại phân có tác dụng nhanh, rất chóng phát huy tác dụng đối với cây trồng, cho nên thường được dùng để bón thúc và bón thành nhiều lần để tránh mất đạm Khi 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

2.1.2.4 Phân đạm clorua

Công thức hóa học: NH4Cl

Hình 2.4 Công thức cấu tạo của phân đạm CloruaPhân này (NH4Cl) có chứa 24–25% nitơ nguyên chất Đạm clorua có dạng tinh thể mịn, 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 dùng để bón cho thuốc lá, chè, khoai tây, hành, tỏi, bắp cải, vừng

Ở các vùng khô hạn, ở các chân đất nhiễm mặn không nên bón phân đạm clorua, vì ở những nơi này trong đất có thể tích luỹ nhiều clo, dễ làm cho cây bị ngộ độc

2.1.2.5 Phân cyanamide canxi

Công thức hóa học: CaCN2

Hình 2.5 Công thức cấu tạo của cyanamide canxi Phân cyanamide canxi có dạng bột không có tinh thể, màu xám tro hoặc màu trắng, đốt không có mùi khai Phân cyanamide canxi có chứa 20 – 21% N nguyên chất, 20 – 28% vôi, 9 – 12% than, cũng có loại phân tỷ lệ than thấp hoặc không có Phân cyanamide canxi phản ứng với kiềm, vì vậy có thể khử được chua, dùng rất tốt ở các loại đất chua Phân cyanamide canxi bị thuỷ phân để trở

Cl

thành cyanamide (H2NCN) Phân cyanamide canxi thường được dùng để bón lót Muốn dùng để bón thúc phải đem ủ trước khi bón 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 Phân cyanamide canxi được trộn ủ với phân rác làm cho phân chóng hoai mục, không được dùng để phun lên lá cây Cần chú ý chống ẩm cho phân khi bảo quản, bởi vì nếu phân hút ẩm sẽ bị biến chất, hạt phân phình to lên 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

2.1.2.6 Phân đạm phosphate

Công thức hóa học: (NH4)3PO4

Hình 2.6 Công thức cấu tạo của phân đạm phosphate Phân đạm phosphate là loại phân vừa có đạm, vừa có lân Trong phân có tỷ lệ đạm là 10-18%, tỷ lệ lân là 44-50% Phân đạm phosphate có dạng viên, màu xám tro hoặc trắng, màu sắc tùy thuộc vào nhà sản xuất và không ảnh hưởng tới chất lượng, dễ chảy nước Trên thị trường hiện nay đang lưu hành hai loại phân bón là DAP (18-46-0) và MAP (10-50-0)

Phân đạm phosphate rất dễ tan trong nước và phát huy hiệu quả nhanh Phân được dùng để bón lót, bón thúc đều tốt, 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 này có tỷ lệ đạm hơi thấp so với lân, nên cần bón phối hợp với các loại phân đạm khác, nhất là khi bón cho các loại cây cần nhiều đạm Để dễ bảo quản người ta thường sản xuất phân đạm phosphate dưới dạng viên và được đựng trong các bao nilông

2.2 Những nét nổi bật của phân đạm

Phân vô cơ đã trở thành cứu cánh và lượng sử dụng cứ tăng tỷ lệ thuận với việc dân số hành tinh cứ tăng dần đến 6 tỷ như hiện nay Phân bón là thức ăn của cây trồng bao gồm 16 nguyên tố cơ bản, chia ra 3 nhóm đa lượng, trung lượng và vi lượng Nhóm đa lượng bao gồm đạm, lân và kali, trong đó đạm là một trong các yếu

tố cơ bản nhất

Phân đạm có nhiều loại, phổ biến nhất là urê (CO(NH2)2) có 46% đạm nguyên chất, đạm amoni nitrat (NH4NO3 - còn gọi là đạm 2 lá) có 30-40% đạm nguyên chất, đạm sunfat ((NH4)2SO4 - còn gọi là SA) có 19-21% đạm nguyên chất, đạm clorua amoni (NH4Cl) có 22-24% đạm nguyên chất Ngoài ra còn có một số đạm không phổ biến rộng như dung dịch amoniac (NH3), canxi xianmit (CaCN2), amoni bicacbonat (NH4HCO3), amoni cacbonat ((NH4)2CO3), đạm trong phân phosphat DAP Dù ở dạng nào, phân đạm vẫn có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với cây trồng, nếu thiếu đạm thì cây còi cọc, vàng úa, không có năng suất, nhưng nếu dư thừa đạm cũng gây nên nhiều bất lợi cho quá trình phát triển của cây trồng, như cành lá phát triển quá mức trong lúc rễ lại kém phát triển, thân non mềm dễ đổ ngã, cây chậm ra hoa, ít hoa, khó đậu quả, quả không chắc hạt, lá non mềm lại có màu xanh đậm nên càng hấp dẫn côn trùng cắn phá, tạo điều kiện cho nấm, vi khuẩn xâm nhập Dư đạm khả năng chống chịu của cây với điều kiện ngoại cảnh như hạn, mặn, phèn, nấm bệnh cũng kém đi

Phân đạm có thể được dùng để bón cho cây trồng dưới dạng rắn, dạng lỏng để tưới gốc hoặc sử dụng như phân phun qua lá đối với một số cây trồng

Phân đạm ít gây cháy nổ nguy hiểm cho người và môi trường xung quanh (trừ phân nitrat ammonium rất dễ cháy nổ)

Sản xuất phân đạm ít thải ra chất độc hại cho môi trường

Khi được sử dụng đúng cách, phân đạm làm tăng năng suất nông sản

2.3 Các công nghệ sản xuất phân đạm (urê) trên thế giới

2.3.1 Các phương pháp sản xuất urê

 Phương pháp tổng hợp urê từ NH3 và HOCN:

NH3+ HOCN = (NH2)2CO Phương pháp này ít được sử dụng do phản ứng xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao, HOCN gây độc hại

 Phương pháp tổng hợp urê từ NH và COCl :

2NH3 + COCl2 = (NH2)2CO + 2HCl Tuy nhiên sản xuất bằng phương pháp này có xảy ra phản ứng phụ: NH3 + HCl = NH4Cl làm cho hàm lượng NH3 thực tế sử dụng lớn hơn lượng NH3 lý thuyết Do đó, phương pháp này cũng ít sử dụng

 Phương pháp tổng hợp urê từ NH3 và COS:

Sau đó ammonium carbamate phân hủy tạo urê:

NH2COONH4 ↔ NH2CONH2 + H2O - 4200 kcal/kmol (2)

Phản ứng (1) xảy ra nhanh hơn và tỏa nhiệt được thực hiện đến cùng Phản ứng (2) xảy ra chậm, thu nhiệt và không hoàn toàn, hiệu suất của chuyển hóa trên lượng CO2 khoảng 50-80%

Nhiệt độ quá trình sản xuất cao hơn nhiệt độ nóng chảy của urê nên urê trong quá trình sản xuất ở dạng nóng chảy, áp suất hơi lớn Nước tạo nên sự xuất hiện carbamate và sản phẩm trung gian là (NH4)2CO3

Đây là nguyên tắc được áp dụng sản xuất ngoài thực tế Tuy nhiên quy trình sản xuất vẫn luôn được nghiên cứu để hạ giá thành sản phẩm và giảm thiểu chất thải

ra môi trường

Với những cải tiến quan trọng, ngày nay người ta ưa chuộng hai hệ thống sản xuất urê theo nguyên tắc trên được gọi là “quy trình tận dụng” (stripping process) giúp tiết kiệm chi phí và năng lượng

2.3.2 Công nghệ tổng hợp urê

Các phương pháp sản xuất urê từ khí thiên nhiên được sử dụng trên thế giới hiện nay căn cứ vào khả năng thu hồi CO2 và NH3, đã phát triển thành 3 công nghệ:

 Phương pháp không tuần hoàn NH3 dư:

Trong dây chuyền sản xuất phâm đạm urê khi thực hiện quá trình không tuần hoàn amonia dư người ta dùng nó để chế biến các sản phẩm phụ khác như: amoni

urê theo phương pháp này ta có thể kết hợp để sản xuất các sản phẩm khác, khi đó lại cần phải có chi phí đầu tư cho các dây chuyền sản đó

 Phương pháp bán tuần hoàn:

Trong phương pháp có tuần hoàn amoniac chưa bị chuyển hóa thành urê thì người ta tách nó khỏi khí chưng luyện urê chảy lỏng và cho quay trở lại chu trình Việc chưng luyện có thể tiến hành một cấp hay hai cấp

Khi chưng luyện một cấp, urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra được tiết lưu đến 1,2 at và được đưa vào chưng luyện ở 70oC Amoniac và sản phẩm phân hủy các muối amoni thu được sau khi chưng luyện được đưa vào chế biến thành amoni nitrat hoặc các sản phẩm khác Dung dịch urê được bốc hơi cô đặc, sau đó kết tinh

Khi chưng luyện urê chảy lỏng hai cấp thì phần lớn urê chảy lỏng được quay trở lại chu trình Tăng lượng NH3 dư khi tổng hợp urê sẽ tăng được phần NH3chưng cất ở cấp I của chưng luyện và lượng NH3 được chế biến thành NH4NO3 bị giảm Điều đó cho phép sử dụng lượng NH3 dư trong quá trình tổng hợp lớn hơn so với chưng luyện một cấp Khí sau khi chưng luyện hai cấp là CO2, NH3 và hơi nước

có thể đem đi chế biến thành amoni nitrat hoặc muối amoni quay lại quá trình

 Phương pháp tuần hoàn lỏng:

So với các phương pháp khác thì phương pháp sản xuất urê cùng với sự quay trở lại toàn bộ các khí chưng luyện chưa hấp thụ ở dạng lỏng được sử dụng phổ biến hiện nay trong công nghệ sản xuất urê Ưu điểm nổi bật của phương pháp này so với các phương pháp khác ở chỗ lưu trình đơn giản thiết bị chắc chắn đáng tin cậy, định mức tiêu hao có thể giảm tới mức tối thiểu

Ngày nay chỉ có công nghệ thu tuần hoàn lỏng là được áp dụng Tổng chuyển hóa NH3 đạt khoảng 99% Kết quả không có sản phẩm phụ chứa nitơ và công nghệ sản xuất urê chỉ phụ thuộc vào việc cung cấp CO2 và NH3 từ xưởng NH3 Tuy nhiên công nghệ này rất tốn chi phí đầu tư và vận hành rất lớn

Quá trình phân hủy cacbamate 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)

Phương pháp không tuần hoàn NH3 dư và phương pháp bán tuần hoàn đòi hỏi chi phí đầu tư và chi phí vận hành thấp hơn nhưng độ tin cậy giảm, tính linh hoạt giảm và khó đồng bộ giữa hai phân xưởng

2.3.3 Công nghệ tạo hạt urê

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 cho phép 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 đến 95-99,7% urê, phụ thuộc vào kỹ thuật hoàn chỉnh được sử dụng Công nghệ 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 fomaldehyt hoặc các hợp chất chứa fomanđehyt được thêm vào urê nóng chảy Các phụ gia này cũng làm giảm xu hướng kết tảng của urê và giảm hàm lượng bụi Fomanđêhyt phản ứng với urê tạo methylendiurê, 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 khác như dịch nitrat amoni 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 hợp hay các sản phẩm khác Urê đậm đặc được hóa rắn 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 Cơ sở lý thuyết tổng hợp phân đạm (urê)

2.4.1 Cân bằng phản ứng tổng hợp urê

Phản ứng tổng hợp urê được tiến hành trong pha lỏng với hợp chất trung gian

là amoni cacbamat Phản ứng giải phóng nước của amoni cacbamat (giai đoạn II của quá trình) là chậm nhất, quyết định tốc độ toàn bộ quá trình:

NH2COONH4  (NH2)2CO + H2O – Q

Hằng số cân bằng của phản ứng:

K =

][

][])[(

4 2

2 2

2

COONH NH

O H CO

NH 

Giả sử ban đầu có 1 mol NH2COONH4

Khi cân bằng có x mol Carbamate được chuyển hoá thành urê, thì tại thời điểm cân bằng:

NH2COONH4 1 - x (mol) (NH2)2CO x (mol)

H2O x (mol)

Tổng số mol: 1 + x (mol)

Hằng số cân bằng:

x x x

x x x

* 1

Biểu thức tính hằng số cân bằng chỉ đúng khi phản ứng thực hiện đúng theo hệ

số tỷ lượng của phản ứng ban đầu Nghĩa là tỷ số mol NH3/CO2 = 2 Còn khi có lượng dư amoniac và H2O đưa vào thì công thức trên không còn phù hợp Nếu xét tổng quát quá trình:

2 ) (NH

CO NH

O H CO K







Giả sử CO2 đưa vào là 1 mol

NH3 đưa vào là a mol ( a ≥ 1)

H2O đưa vào là b mol

Tại thời điểm cân bằng có x mol CO2 được chuyển hoá thành urê khi đó thành phần của các cấu tử:

x b a

x b x b a

x a

x b a

b x x b a x

2

1

* 1

Công thức này phù hợp cho điều kiện thực nghiệm, khi thực hiện ở điều kiện nhiệt độ ≤ 190oC và nó đúng trong trường hợp dư amoniac không lớn lắm khi tăng lượng dư amoniac thì sự chênh lệch trong thực tế sẽ tăng lên

2.4.2 Động học quá trình tổng hợp urê

Quá trình tạo urê từ NH3 lỏng và khí CO2 gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: phản ứng tạo amoni carbamate

Trong đó a – nồng độ amoni cacbamat ban đầu

x – nồng độ amoni cacbamat sau phản ứng

t – thời gian phản ứng

Lượng dư NH3 trong hỗn hợp phản ứng sẽ tác dụng với lượng nước sinh ra, nên tốc độ phản ứng nghịch sẽ giảm và hiệu suất tạo thành urê sẽ tăng Do đó, phương trình tốc độ phản ứng là:

Như mô tả tại phản ứng 1, tỷ lệ mole lý thuyết của NH3/CO2 là 2, nhưng dưới các điều kiện khác sản phẩm urê ổn định chậm ở 168 bar 155 OC

Khi tỷ lệ mol NH3/CO2 thay đổi từ 2 đến 9, sản phẩm urê thay đổi từ khoảng 40% đến 85% Nhưng trong 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 40-45%

Ảnh hưởng của CO2 là rất nhỏ so với NH3, hơn 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

Từ phản ứng thứ hai, lượng nước dư trong dung dịch phản ứng làm cản trở sự hình thành urê từ carbamate Nhưng nếu hàm lượng nước quá thấp thì nồng độ cacbamate trở nên cao gây tắc nghẽn đường ống

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

Hình 2.8 Ảnh hưởng tỷ lệ H2O/CO2

 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 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

Hình 2.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhiệt độ và áp suất

Hình 2.10 Ảnh hưởng của áp suất cân bằng và tỷ lệ NH3/CO2 theo tỷ lệ H2O/CO2

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP URÊ TẠI NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU

3.1 Giới thiệu về công nghệ sản xuất tại nhà máy

Công nghệ của nhà máy sử dụng nguồn nguyên liệu chính là khí thiên Với tổng lượng khí tiêu thụ tại 100% tải khoảng 1.460.000 Sm3/năm Nhà máy sử dụng công nghệ chính là Haldor Topsoe của Đan Mạch, SnamProgetti của Italia và TEC (TOYO) của Nhật Bản

Công nghệ sản xuất urê gồm có 4 giai đoạn chính:

- Công đoạn nén khí CO2

- Công đoạn tổng hợp và thu hồi:

 Tổng hợp urê và thu hồi CO2 và NH3 ở áp suất cao

 Giai đoạn tinh chế urê và thu hồi CO2 và NH3 ở áp suất trung bình và áp suất thấp

 Giai đoạn cô đặc urê

- Công đoạn tạo hạt

- Công đoạn xử lý nước thải

3.2 Quá trình tổng hợp và tạo hạt tại nhà máy

Hình 3.1 Sơ đồ tổng thể công nghệ tổng hợp urê

3.2.1 Công đoạn nén khí CO 2

CO2 được lấy từ bên ngoài phân xưởng (trong phân xưởng amoniac) ở nhiệt độ 45oC và 0,15MPa

CO2 bão hòa hơi nước và độ tinh khiết tối thiểu là 99% thể tích

CO2 được nạp vào bồn chứa và đến cửa hút cấp một của máy nén

Một lượng khí thụ động hóa thêm vào thông qua bộ điều khiển lưu lượng tại cửa hút máy nén nhằm thụ động hóa bề mặt thép của thiết bị urê, lượng oxi thêm vào phân xưởng là 0,25% thể tích của lượng CO2 nạp liệu

Máy nén CO2 được đặt giữa bình tách nước ngưng tại đầu hút và tháp phản ứng Nó nhận khí CO2 từ bình tách tại đầu hút ở áp suất 0,15Mpa và tăng áp suất của khí CO2 lên một mức độ mà có thể nạp vào tháp phản ứng

Dưới điều kiện công nghệ bình thường, khí CO2 phải đạt được áp suất khoảng 15,7 MPa để nạp vào tháp phản ứng Để đạt được mức áp suất này, cần phải có máy nén 4 cấp Sau mỗi cấp của máy nén, khí CO2 được đưa qua bộ làm lạnh trung gian, tại đây dòng CO2 được làm lạnh và hơi nước còn lại được ngưng tụ và tách ra trong bình tách trung gian Nhiệt độ của dòng CO2 tại đầu hút của cấp 4 được điều khiển bằng TIC với nước làm mát để tránh sự ngưng tụ có thể gây hỏng máy nén nếu nhiệt độ của dòng khí giảm dưới 450C Sau cấp 4 của máy nén khí CO2 được nạp váo tháp phản ứng urê

Nếu máy nén đạt đến điểm surging, thì hệ thống chống surging sẽ tự động mở van tuần hoàn để đưa CO2 từ cửa ra của cấp nén cuối vào lại cửa vào của cấp nén thứ nhất

Máy nén được truyền động bằng tuabin hơi sử dụng hệ hơi nước cao áp kết hợp với quá trình phun hơi nước thấp áp Khi dòng hơi nước thấp áp bị dư ra nó được đưa sang bình ngưng tụ hơi Một phần hơi nước cao áp được giảm áp đến 2,47MPa và sử dụng trong phân xưởng urê Dòng hơi nước sau khi qua tuabin sẽ đi vào hệ thống ngưng tụ hơi nước hệ thống ngưng tụ hơi nước sử dụng nước sông làm mát, hệ thống ngưng tụ hơi nước bao gồm thiết bị hơi nước, thiết bị tạo chân không và bơm Thiết bị tạo chân không được trang bị để duy trì chân không trong thiết bị ngưng tụ của tuabin Dòng nước ngưng được bơm ra ngoài phân xưởng

3.2.2 Tổng hợp Urê và thu hồi

3.2.2.1 Tổng hợp urê và thu hồi CO 2 và NH 3 ở áp suất cao

Urê được sản xuất bằng cách tổng hợp từ ammonia lỏng và khí CO2 Trong tháp tổng hợp, NH3 và CO2 phản ứng với nhau để tạo thành dạng cacbamat, một phần sẽ bị khử nước để tạo urê và nước Các phản ứng như sau:

2NH3 + CO2 ↔ NH2COONH4 + 32560 kcal/kmol cacbamat (1)

NH2COONH4 ↔ NH2CONH2 + H2O – 4200 kcal/kmol urê (2)

Ở điều kiện tổng hợp (T = 185 ÷ 1900C, P = 15.6 MPa), phản ứng thứ nhất xảy ra nhanh và gần như hoàn toàn, phản ứng thứ hai xảy ra chậm và quyết định tốc

độ của phản ứng Phần cacbamat bị tách nước được xác định dựa vào tỷ lệ của các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ và áp suất vận hành, thời gian lưu trong thiết bị phản ứng

Tỷ lệ mol NH3/CO2 khoảng 3.1 ~ 3.6

Tỷ lệ mol H2O/CO2 khoảng 0.5 ~ 0.7

Với tỷ lệ NH3/CO2 như vậy sẽ cho phép độ chuyển hóa của CO2 trong tháp phản ứng đạt 60 ~ 63%, cũng nhờ vào các đĩa lỗ ngăn chặn dòng chảy ngược và thúc đẩy hấp thụ khí vào lỏng

Tiếp sau quá trình tổng hợp là quá trình phân hủy (và thu hồi) những chất chưa được chuyển hóa được tiến hành theo ba công đoạn: Phân hủy cao áp trong thiết bị Stripper, phân hủy trung áp trong thiết bị phân hủy trung áp, phân hủy thấp áp trong thiết bị phân hủy thấp áp

Các phản ứng phân hủy là phản ứng ngược lại của phản ứng (1):

NH2COONH4 ↔ 2NH3 + CO2 (- Q)

Ammonia lỏng nạp liệu vào xưởng urê (và một phần được đưa sang xưởng tạo hạt để sản xuất MMU), từ xưởng ammonia ở 250C, được lọc qua các thiết bị lọc ammonia, sau đó đi vào tháp thu hồi ammonia và được tập trung trong bồn chứa ammonia Từ bồn chứa ammonia, ammonia được bơm lên áp suất 2.25 MPa bằng bơm tăng áp ammonia Một phần ammonia này được đưa tới tháp hấp thụ trung áp, phần còn lại đi vào cụm tổng hợp cao áp

Ammonia vào cụm tổng hợp được bơm bằng bơm ammonia cao áp, lên áp suất khoảng 22.9 MPa Trước khi vào tháp tổng hợp, ammonia được gia nhiệt trong thiết

cacbamat Hỗn hợp lỏng của ammonia và cacbamat từ bơm phun vào đáy tháp tổng hợp, ở đây nó sẽ phản ứng với khí CO2 nạp liệu

CO2 từ xưởng ammonia ở áp suất 0.15 MPa và nhiệt độ 45oC đi vào máy nén

CO2 và được nén đến áp suất 157 MPa

Một lượng nhỏ không khí được đưa vào dòng CO2 ở đầu vào cấp 2 máy nén để thụ động hóa các bề mặt thép không rỉ của các thiết bị cao áp, do đó bảo vệ chúng khỏi 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 bị stripper, hoạt động ở áp suất 14.6 MPa Đây là thiết bị phân hủy kiểu màng trong ống thẳng đứng, trong đó lỏng được phân phối trên bề mặt gia nhiệt dưới dạng màng và chảy xuống đáy nhờ trọng lực Thực tế, đây là thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống thẳng đứng, với môi trường gia nhiệt ở phía vỏ, và đầu ống được thiết kế đặc biệt cho phép sự phân phối đồng đều dung dịch urê Thực tế, mỗi ống có một đầu phân phối kiểu lồng (ferrule) được thiết kế để phân phối đều dòng lỏng xung quanh thành ống dưới dạng màng Các lỗ của đầu phân phối hoạt động như các đĩa; đường kính của các lỗ và đầu phân phối sẽ điều khiển lưu lượng Khi màng lỏng chảy, nó được gia nhiệt và sự phân hủy cacbamat và bay hơi bề mặt xảy ra Hàm lượng CO2 trong dung dịch giảm do stripping NH3 khi NH3 sôi Hơi tạo thành (thực chất là NH3 và

CO2) bay lên đỉnh ống Nhiệt phân hủy cacbamat được cung cấp nhờ sự ngưng tụ hơi bão hòa 2.17 MPa

Dung dịch thu hồi từ đáy tháp hấp thụ trung áp sau khi được gia nhiệt sơ bộ sẽ được trộn với dòng khí ra khỏi stripper, đi vào các thiết bị ngưng tụ cacbamat Sự ngưng tụ trong hai thiết bị trao đổi nhiệt cho phép sản xuất hơi ở các áp suất khác nhau:

 Thiết bị ngưng tụ cacbamat thứ nhất sản xuất hơi bão hòa trung thấp áp (MLP) 0.55 MPa

 Thiết bị ngưng tụ cacbamat thứ nhất sản xuất hơi bão hòa thấp áp (LP) 0.34 MPa

Trong thiết bị ngưng tụ cacbamat đầu tiên hỗn hợp giữa khí từ đỉnh thiết bị stripper và dung dịch thu hồi từ đáy tháp hấp thụ trung áp sẽ bị ngưng tụ một phần sau đó nó đi vào thiết bị ngưng tụ cacbamat thứ hai, tại đây dòng khí sẽ bị ngưng tụ gần như hoàn toàn (trừ một phần khí trơ) và được tuần hoàn về tháp tổng hợp thông qua bơm phun cacbamat

Từ đỉnh của bình tách cacbamat, khí không ngưng bao gồm khí trơ (không khí thụ động, khí trơ trong dòng CO2 từ BL) chứa một lượng nhỏ NH3 và CO2 được đưa trực tiếp vào đáy thiết bị phân hủy trung áp

Hình 3.2 Tháp tổng hợp urê

3.2.2.2 Tinh chế urê và thu hồi

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

NH2-COO-NH4  2 NH3 + CO2 (3)

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

áp suất và/hoặc cung cấp nhiệt Trong các nhà máy Snamprogetti, sự phân hủy được tiến hành trong 3 giai đoạn:

 Phân hủy cao áp trong thiết bị Stripper cao áp:

Phản ứng phân hủy được xúc tiến bằng cách gia nhiệt bởi hơi nước trung áp bão hòa 2,17MPa tách CO2 bằng cách cho bay hơi lượng dư NH3, ở mức áp suất thấp hơn so với áp suất tổng hợp urê

Thiết bị stripper là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu màng Do đó, các dòng lỏng và khí được phân hủy và bay hơi khi tiếp xúc ngược dòng và nồng độ CO2 trong dòng lỏng giảm 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 được ngăn ngừa bằng lượng NH3 dư và sử dụng ống lưỡng kim Cr/Ni/Mo trong stripper, ngoài ra dùng không khí nén để thụ động hóa bề mặt trong thiết bị

Hình 3.3 Thiết bị phân hủy cao áp

 Phân hủy trung áp trong thiết bị phân hủy trung áp:

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

Thiết bị phân hủy trung áp hoạt động ở áp suất 1,95 Mpa và nhiệt độ 163oC Nhiệt phân hủy được cung cấp nhờ hơi trung thấp áp bão hòa 0,55 MPa, 162oC trong phần vỏ trên và nhờ nước ngưng hơi 220oC từ stripper trong phần vỏ dưới của thiết bị

Hình 3.4 Thiết bị phân hủy trung áp

 Phân hủy thấp áp trong thiết bị phân hủy thấp áp

Áp suất càng thấp, sự thất thoát NH3 và CO2 khỏi hệ thống càng thấp, nhưng dung dịch thu hồi loãng hơn, có nghĩa là nước dư được tuần hoàn về cụm tổng hợp

Để duy trì cân bằng trong cụm tổng hợp, điều kiện hoạt động của thiết bị phân hủy thấp áp được lựa chọn ở áp suất 0,4 MPa và nhiệt độ 151oC Nhiệt được cung cấp nhờ hơi trung thấp áp ở áp suất 0,55 MPa