thiết kế dây chuyền sản xuất urê

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (703.31 KB, 212 trang )

Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê

MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp việc sản xuất Urê bằng phương pháp tổng hợp từ
ammoniac 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 nghành 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.
Nhu cầu phân bón ở nước ta hiện nay ước tính khoảng 3500000 tấn/năm.(Theo
www.cuctt.mard.gov.vn thống kê năm 2006).
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.
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.
Nguyên liệu để sản xuất Urê là từ NH
3
và CO
2

. Hiện nay ở nước ta có hai
nhà máy sản xuất Urê là nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc ở Bắc Giang và
nhà máy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu.

1
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Nhà máy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu sử dụng dây chuyền công
nghệ của hãng Haldor Topsoe ( Đan Mạch) và của hãng Snamprogetti (Ý) đi từ
nguồn nguyên liệu ban đầu là khí đồng hành, tạo ra NH
3
lỏng và khí CO
2
đưa và
tổng hợp Urê.
Nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc đi từ nguồn nguyên liệu ban đầu là
than đá tạo ra NH
3
lỏng và khí CO
2
, sử dụng dây chuyền công nghệ tuần hoàn
lỏng toàn bộ cho quá trình tổng hợp Urê.
Phần tính toán thiết kế Xưởng sản xuất Urê dưới đây, được trình bày dựa
trên dây chuyền của Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc.
PHẦN I
GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM URÊ (NH
2
)
2
CO
I. NGUYÊN LIỆU.

1. Đioxit Cacbon:
Công thức hoá học : CO
2
Khối lượng phân tử : 44 (Đ.V.C)
Ở điều kiện thường điôxit cacbon là chất khí không màu. Ở 0 C
0
khi nén
đến áp suất 35,5 atm thì điôxit cacbon sẽ hoá lỏng. Chất lỏng không màu. Tiếp
tục hạ nhiệt độ nó tạo băng CO
2
trắng.
Trong sản xuât Ure, nguốn nguyên liệu CO
2
thường được sản xuất từ than,
khí thiên nhiên…Để đạt được yêu cầu về độ sạch của CO
2
, khí sau khi sản xuất
được tinh chế và làm sạch. Trong thành phần khí theo CO
2
vào tháp tổng hợp
Ure người ta quan tâm nhất là hàm lượng khí H
2
S vì nó gây ăn mòn thiết bị rất
mạnh và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Trong thành phần khí ngoài ra

2
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
còn có các khí khác như N
2
, H

2
…Hiện nay ở công ty Phân đạm và Hoá chất Hà
Bắc CO
2
được sản xuất từ than Antraxit
2. Amoniac
Công thức hoá học: NH
3

Khối lượng phân tử: 17,03 (Đ.V.C)
Ở điều kiện thường, Ammoniac là chất khí không màu, có mùi khai và xốc.
Một số hằng số hoá lý cơ bản của Ammoniac:
Nhiệt độ sôi : -33,75
o
C
Nhiệt độ nóng chảy : -77,75
o
C
Nhiệt độ kết tinh : 132,4
o
C
Thể tích phân tử ( 0
o
C, 760 atm ) : 22,081 lít
Tỷ trọng ( 0
o
C, 760 atm ) : 0,771 g/lít
Amoniac là chất hoà tan tốt trong nước. Ở nhiệt độ thường và áp suất ngoài
trời 1 lít nước hoà tan gần 750 lít NH
3

khí. Ở nhiệt độ thường NH
3
rất ổn định, ở
nhiệt độ cao ≥ 1200
o
C thì bị phân huỷ.
Trong sản xuất Ure, Ammoniac được điều chế từ N
2
, H
2
. Nồng độ của NH
3
trong đó rất cao đạt ≥ 99,8 % khối lượng. Phần còn lại chủ yếu là nước và 1
lượng nhỏ khí hoà tan khác. Trong sản xuất Ure thì yêu cầu về nguồn nguyên
liệu NH
3
cho tổng hợp Ure là NH
3
lỏng giàu, lượng khí.
Nguồn nguyên liệu chủ yếu ở nước ta hiện nay để sản xuất hai khí nguyên
liệu này là than, qua nhiều giai đoạn do đó thiết bị sản xuất cồng kềnh. Nên chi
phí đầu tư lớn, làm tăng giá thành sản phẩm.
Hiện nay ở nước ta có nguồn nguyên liệu là khí đồng hành có thể dùng sản
xuất khí nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Urê.Nếu sử dụng nguồn nguyên liệu
là khí đồng hành cho việc sản xuất nguyên liệu tổng hợp Urê thì chi phí đầu tư

3
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
sẽ giảm so với dây chuyền sản xuất Urê từ khí nguyên liệu được sản xuất từ
than.

Xét tình hình cụ thể ở nước ta hiện nay để sản xuất Urê sử dụng nguyên
liệu là than vẫn có hiệu quả tương đối cao bởi một số điều kiện sau:
+ Khí sản xuất khí nguyên liệu thì tiêu thụ một lượng than rất lớn nên giải
quyết được tình trạng trì trệ của nghành than hiện nay do tạo được công ăn việc
làm và thu nhập ổn định cho người lao động ngành than.
+ Là cơ sở để xây dựng một liên hợp sản xuất nhiều mặt hàng phân bón và
hoá chất như Urê, NPK, SODA, DAP, H
2
SO
4
, ,
3. Yêu cầu về nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Urê.
a. Yêu cầu về NH
3
:
Nguyên liệu dùng trong sản xuất Urê là NH
3
lỏng, lượng nước dầu và khí
trơ hoà tan trong NH
3
lỏng càng ít càng tốt.Hàm lượng NH
3
trong Amoniac lỏng
nói chung không nhỏ hơn 99,8%. Hàm lượng khí trơ hoà tan trong NH
3
phải
thật nhỏ.Nếu trong NH
3
có hoà tan nhiều H
2

và N
2
thì sau khi vào tháp tổng hợp
Urê sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất tổng hợp Urê. Lượng dầu chứa trong NH
3
lỏng không được lớn hơn 15ppm, nếu hàm lượng dầu quá lớn sẽ làm bẩn bề mặt
trao đổi nhiệt. Trong NH
3
lỏng thường chứa bột xúc tác tổng hợp NH
3
, bởi vậy
phải đuư lọc sạch trước khi vào tháp tổng hợp Urê, nếu không sẽ che phủ tạo
lớp cặn trên bề bặt truyền nhiệt.
b. Yêu cầu về nguyên liệu CO
2
;
Khí CO
2
dùng cho tổng hợp Urê phải đáp ứng những yêu cầu sau:
Nồng độ CO
2
≥ 98,5% khí trơ không tham gia vào phản ứng tổng hợp ≤ 1,5%
tạp chất lưu huỳnh < 15 mg/m
3
tiêu chuẩn

4
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Hàm lượng lưu huỳnh trong khí CO
2

càng nhỏ càng tốt bởi hợp chất sunfua
có khả năng gây ăn mòn rất mạnh đối với các thiết bị sản xuất Urê vì vậy phải
khử bỏ lưu huỳnh trước khi vào tháp tổng hợp.
Hàm lượng H
2
trong khí trơ cần khống chế < 1,2% .Nếu hàm lượng H
2
tăng
lên thì ở bộ phân nào đó trong hệ thống tổng hợp Urê sẽ tạo thành NH
3
– H
2
– O
2
là một hỗn hợp khí nổ rất nguy hiểm khi gặp tia lửa. Để ngăn ngừa thiết bị sản
xuất Urê bị ăn mòn trước khi đưa khí CO
2
vào tháp tổng hợp người ta đưa vào
cùng một luợng không khí hoặc oxi nguyên chất chiếm khoảng 2,5% thể tích
không khí và duy trì hàm lượng O
2
trong CO
2
là 0,5% thể tích.
II. SẢN PHẨM URÊ.
1. Tính chất vật lý:
Công thức hoá học : (NH
2
)
2

CO
Khối lượng phân tử : 70 (Đ.V.C)
Phân Urê hay còn gọi là Cacbamit, là phân có chứa nhiều nitơ nhất ( 46%).
Urê tinh khiết là tinh thể màu trắng, tỷ trọng 1,33 g/cm
3
, nhiệt độ nóng chảy
khoảng 132,4
o
C.
Thành phần của phân Urê bao gồm:
– Hàm lượng Urê nguyên chất: 99,2%
– Hàm lượng Fe: 0,005%
– Hàm lượng NH
3
tự do: < 0,015%
2. Tính chất hóa học:
a. Tác dụng nhiệt:
Urê khi đốt nóng dưới áp suất khí quyển, đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
nóng chảy (t
o
nc
) sẽ bị phân hủy thoát NH
3
. Cơ chế của quá trình như sau:

5
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
(NH
2
)

2
CO
→
NH
4
OCN
NH
4
OCN
→
HOCN + NH
3
Axit xyanic
HOCN + (NH
2
)
2
CO
→
NH
2
CONHCONH
2
Biure
Hợp chất Biure là thành phần có hại đối với cây trồng, nó làm cây trồng bị
bạc lá. Vì vậy cần phải tổng hợp Urê trong điều kiện thích hợp tránh việc tạo
Biure
b. Độ tan của Urê trong các dung môi:
Urê tan tốt trong nước, rượu và dung dịch amoniac. Dung dịch Urê bão hòa
ở nhiệt độ t

o
= 20
o
C có 51,83% (NH
2
)
2
CO
t
o
= 60
o
C có 78,8% (NH
2
)
2
CO
t
o
= 120
o
C có 95% (NH
2
)
2
CO
Ở nhiệt độ trên 130
o
C, dung dịch nước cacbamit sẽ bị phân hủy thành NH
3

và CO
2
.
c. Tác dụng với các axit:
Urê tác dụng với các axit tạo thành các muối khác nhau:
– Hợp chất muối Nitrat: (NH
2
)
2
CO.HNO
3
ít tan trong nước, khi bị đốt
nóng sẽ phân hủy và nổ.
– Hợp chất muối phốt phát: (NH
2
)
2
CO.H
3
PO
4
hòa tan tốt trong nước và
phân ly hoàn toàn.
d. Tác dụng với các muối:
Urê có phản ứng với một số muối tạo thành các phức, thường có chứa tới 2
cấu tử phân bón như Ca(NH
3
)
2
.4CO(NH

2
)
2

6
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Ca(H
2
PO
4
)
2
.H
2
O + (NH
2
)
2
CO
→
CO(NH
2
)
2
.H
3
PO
4
+ CaHPO
4

.H
2
O
3. Ứng dụng của Urê:
a. Trong nông nghiệp:
Urê là loại phân đạm có thành phần Nitơ nhiều nhất (46%) khối lượng,
cung cấp một hàm lượng đạm lớn cho cây trồng. Urê có thể dung bón cho cây
trồng dưới dạng rắn, dạng lỏng tưới gốc hoặc sử dụng như phân phun qua lá đối
với một số loại cây trồng. Vì vậy phân Urê được sử dụng rất rộng rãi trong nông
nghiệp.
b. Trong công nghiệp:
Urê được dùng làm nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa
Urê-formandehit.
Urê là thành phần chính của phân hóa học Urê và được dùng để bổ sung
thức ăn cho động vật, nó cung cấp một nguồn đạm cố định tương đối rẻ tiền để
giúp cho sự tăng trưởng.
Được sử dụng để thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay
sương muối của lòng đường hay đường băng sân bay. Nó không gây hiện tượng
ăn mòn như muối.
Urê là một thành phần bổ sung cho thuốc lá để thêm hương vị.
Urê là thành phần của dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước thơm.
c. Trong phòng thí nghiệm:
Urê là chất biến tính protein mạnh. Thuộc tính này được sử dụng để làm
tăng độ hòa tan của một số protein. Vì tính chất này nó được sử dụng trong các
dung dịch đặc tới 10M.
d. Trong y học:

7
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Urê được sử dụng trong các sản phẩm da liễu để giúp cho quá trình tái

hydrat hóa của da.
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 nó hoặc trong một số trường
hợp nào đó là sự sản xuất quá nhiều Urê trong cơ thể.( Theo www.
wikipedia.org)
Nồng độ Urê cao trong cơ thể có thể sinh ra các rối loạn thần kinh. Thời
gian dài bị Uremia có thể làm đổi màu da sang màu xám.
Tóm lại Urê có vai trò to lớn trong rất nhiều nghành và trong đời sống con
người, trong đó nhấn mạnh đến vai trò là phân bón trong sản xuất nông nghiệp.
Vì vậy nghiên cứu, thiết kế dây chuyền sản xuất Urê có ý nghĩa rất quan trọng.

8
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
PHẦN II
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT URÊ TỪ NH
3
LỎNG VÀ KHÍ CO
2
I. Lựa chọn dây chuyền sản xuất:
Tổng hợp trực tiếp Urê từ NH
3
và CO
2
bao gồm một số giai đoạn :
– Tác dụng giữa NH
3
và CO
2
( quá trình tổng hợp)
– Chưng cất sản phẩm tổng hợp

– Chế biến dịch Urê thành sản phẩm
Những phương pháp tổng hợp Urê ít khác nhau bởi những điều kiện quá
trình tổng hợp và chúng được phân loại chủ yếu là theo phương pháp sử dụng
các khí chưng luyện. Hiện nay có 3 phương pháp phổ biến để sản xuất Urê.
1. Phương pháp không tuần hoàn NH
3
dư:
Trong dây chuyền sản xuất phâm đạm Urê khi thực hiện quá trình không
tuần hoàn amoniac dư người ta dùng nó để chế biến các sản phẩm phụ khác như:
amoni nitrat, amoni sunfat, các muối amoni khác hoặc NH
3
lỏng. Nếu tiến hành
sản xuất 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.
2. 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 70
o
C. 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 NH
3
dư khi tổng hợp Urê sẽ tăng được phần
NH

3
chưng cấp ở cấp I của chưng luyện và lượng NH
3
được chế biến thành

9
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
NH
4
NO
3
bị giảm. Điều đó cho phép sử dụng lượng NH
3
dư trong quá trình tổng
hợp lớn hơn so với chưng luyện một cấp. Khí sau khi chưng luyện hai cấp là
CO
2
, NH
3
và hơi nước có thể đem đi chế biến thành amoni nitrat hoặc muối
amoni quay lại quá trình.
3. 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.
Hiện nay tồn tại một số phương pháp tái sinh khí chưng luyện nhằm tuần
hoàn chúng:
1- Ép nóng

2- Hấp thụ các khí bằng dầu khoáng
3- Hấp thụ chọn lọc NH
3
và CO
2
(tuần hoàn khí)
4- Quay NH
3
và CO
2
trở lại chu trình ở dạng dịch lỏng của các muối amoni
(tuần hoàn lỏng)
Theo phương pháp ép nóng thì hỗn hợp NH
3
và CO
2
được nén ở 175
÷
210
0
C, nghĩa là những điều kiện loại trừ sự tạo thành amoni cacbamat rắn. Phương
pháp này chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì những khó khăn
sinh ra khi nén hỗn hợp khí ở nhiệt độ cao và ít kinh tế mặc dù là sử dụng NH
3
cao đến 93%. Hãng CHEMICO của Mỹ đề ra tuần hoàn NH
3
và CO
2
thực hiện ở
trạng thái nóng đồng thời phân hủy amoni cacbamat theo các giai đoạn 70 at, 14

÷
28 at và 1 at. Khí chưng luyện thoát ra được nén đến áp suất 210 at là áp suất
quá trình tổng hợp phải thực hiện. Việc đốt nóng các khí xảy ra do nén đoạn
nhiệt. Nhiệt dư trong quá trình tổng hợp được sử dụng để chế tạo hơi nước.

10
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Khi hấp thụ NH
3
và CO
2
bằng dầu khoáng trơ thì huyền phù amoni
cacbamat được tạo thành đi vào tháp tổng hợp. Quá trình tổng hợp được tiến
hành ở 210 at và 180
0
C. Mức độ chuyển NH
3
và CO
2
thành Urê là 40
÷
50%.
Nhiều phương pháp dựa vào hấp thụ chọn lọc một trong các cấu tử NH
3
và
CO
2
đã được đưa ra. Ví dụ: hấp thụ chọn lọc NH
3
từ các khí chưng luyện bởi

dung dịch Urê nitrat (phương pháp INVENTA). Dioxit cacbon không bị hấp thụ,
thải đi hoặc sử dụng lại chu trình. Hấp thụ chọn lọc khí CO
2
từ khí chưng luyện
(phương pháp CHEMICO) là một ví dụ khác, theo phương pháp này thì quá
trình tổng hợp được tiến hành ở 170 atm và 175
÷
185
0
C, khi có mặt lượng dư
NH3 lớn (NH3/CO2= 6/1); điều đó cho phép nâng cao mức độ chuyển amoni
cacbamat thành Urê đến 76%. Việc hấp thụ khí CO
2
nhờ mono etanol amin.
Ngày nay đối với phương pháp này, chế độ kỹ thuật đã khác đi chút ít. Quá trình
này đã được tiến hành dưới áp suất 280 at và ở nhiệt độ 205
÷
232
0
C, tỷ số NH
3
: CO
2
= (4
÷
4,5):1. Hiệu suất Urê khi ấy là 80
÷
85%. Tháp tổng hợp được lót
bằng zinconi để nâng cao độ bền. Nhiệt được sử dụng để chế tạo hơi nước. Quá
trình được tiến hành theo hai cấp. Việc hấp thụ khí CO

2
từ khí chưng luyện được
tiến hành chọn lọc bằng mono etanol amin.
Một phương pháp hỗn hợp tuần hoàn các khí trở lại tháp tổng hợp đã được
nghiên cứu 75% NH
3
và CO
2
chưa phản ứng được quay trở lại chu trình ở dạng
dung dịch của các muối amoni; 25% còn lại nhờ vào hấp thụ chọn lọc. Khi hấp
thụ chọn lọc bằng dung dịch mono etanol amin thì quá trình có thể được thực
hiện với sự tuần hoàn một bộ phận hoặc toàn bộ khí chưng luyện trở lại chu
trình.
Những phương pháp thực hiện tuần hoàn NH
3
và CO
2
trở lại chu trình ở
dạng dung dịch các muối amoni (tuần hoàn lỏng) là phương pháp triển vọng
nhất vì tính kinh tế của nó. Gần đây nhiều hãng sản xuất tiến hành làm việc theo
sự cải tiến của phương pháp này.
Để điều chỉnh nhiệt độ, tháp được trang bị một vỏ lạnh. Quá trình được tiến
hành trong những điều kiện được kiểm tra nghiêm ngặt thì hiệu suất tổng hợp
Urê đạt đến 68%.

11
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Quá trình tiến hành chưng luyện Urê được tiến hành theo hai cấp, cấp áp
suất dưới 20 at và gần đến áp suất khí quyển. Amoniac và cacbon dioxit quay
toàn bộ trở lại chu trình ở dạng dung dịch các muối amoni. Quá trình bốc hơi

dung dịch Urê được tiến hành dưới áp suất chân không cho đến khi hàm ẩm
0,6%. Sản phẩm thu được ở dạng hạt có độ tinh khiết cao và có hàm lượng Biure
nhỏ.
Theo phương pháp Toyo Koatsu (Nhật Bản) thì việc tác dụng tương tác của
NH
3
và CO
2
theo thông số kỹ thuật khác đi chút ít, áp suất 220
÷
230 at, nhiệt
độ 180
÷
190
0
C và tỷ số mol NH
3
: CO
2
= (3,5
÷
4,5) : 1. Khi ấy mức độ
chuyển hóa CO
2
thành Urê là 58%. Urê chảy lỏng được đưa vào chưng luyện ở
17 atm và 2
÷
3 atm. Khác với phương pháp Montecatin là trong phương pháp
này có một bộ phận NH
3

thoát ra ở cấp chưng luyện thứ nhất ở dạng chảy lỏng
tinh khiết, được đưa quay trở lại chu trình. Một bộ phận NH
3
khác và CO
2
được
đưa quay trở lại dung dịch ở dạng các muối amoni. Thành phẩm được sản xuất
không những ở dạng tinh thể nhỏ mà còn ở dạng hạt.
Theo phương pháp STEMI CACBON thì quá trình tuần hoàn NH
3
và CO
2
chưa phản ứng được thực hiện như phương pháp TOYO KOATSU. Quá trình
tổng hợp được tiến hành ở 175
÷
190
0
C, áp suất 200 atm và tỷ số mol NH
3
:
CO
2
= 4,5 : 1. Mức chuyển hóa CO
2
thành Urê là 62%. Quá trình chưng luyện
Urê chảy lỏng được tiến hành theo hai cấp ở các áp suất tương ứng 18 atm và 3
atm. Trước khi tạo hạt kết tinh dung dịch được bốc hơi đến nồng độ 99,8%
CO(NH
2
)

2
trong thiết bị bốc hơi hai cấp. Quá trình bốc hơi tiến hành dưới áp
suất chân không (ở cấp I áp suất 300 mmHg, cấp II là 15 mmHg). Urê kỹ thuật
thu được trực tiếp từ dung dịch 70
÷
74% đã được chế biến trước bằng than hoạt
tính nhằm cải thiện phẩm chất của nó.
Ngày nay, hãng STEMI CACBON đã đưa một loạt những cải thiện vào
phương pháp này, điều đó đã cho phép hạ thấp hệ số tiêu hao và giá thành của
sản phẩm. Theo phương pháp mới quá trình tổng hợp Urê được tiến hành ở áp
suất 130 atm, nhiệt độ 180
0
C và tỷ số mol NH
3
: CO
2
= 4 : 1, nghĩa là giảm so

12
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
với khi chưa cải tiến. Urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra cùng với áp suất ấy
được đưa vào tháp thổi để phân hủy amoni cacbamat.
Amoni dư và sản phẩm phân hủy amoni cacbamat là NH
3
và CO
2
dạng khí
được thổi khỏi dung dịch chảy lỏng nhờ vào CO
2
mới cung cấp vào tháp bằng

máy nén và chúng được quay trở lại tháp tổng hợp. Quá trình chưng luyện hai
cấp dưới áp suất được tiến hành tiếp theo. Nhiệt dư được tạo thành khi tổng hợp
được sử dụng để sản xuất hơi nước.
Hãng TOYO KOATSU đã đề ra phương pháp liên hợp sản xuất NH
3
và Urê
hạ thấp đến 6
÷
7 % chi phí kinh doanh và 5
÷
10% đầu tư cơ bản. Bản chất của
phương pháp là chế biến CO
2
từ khí thu được bởi khí metan và cacbon oxit
thành Urê. Hãng INVENTA đề ra phương pháp phân hủy amoni cacbamat một
cấp tiến hành ở 130
0
C và áp suất 4 atm. Khi ấy việc tuần hoàn đạt đến 99%.
Nhìn chung, hiện nay phương pháp tuần hoàn lỏng toàn bộ và chưng luyện
hai cấp được sử dụng rộng rãi nhất., với những ưu điểm nổi bật. Hiệu suất tổng
hợp Urê cao 65
÷
68%, hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao, định mức tiêu hao
thấp. Dây chuyền sản xuất khép kín, liên tục mà không cần thêm dây chuyền để
sản xuất các sản phẩm chứa amoni khác. Trong khuôn khổ trong cuốn đồ án này
em được giao thiết kế dây chuyền sản xuất phân xưởng tổng hợp Urê mà không
sản xuất các sản phẩm khác. Để tận dụng được toàn bộ nguyên liệu, tránh gây
tổn thất, mất mát nguyên liệu trong quá trình sản xuất nên trong cuốn đồ án em
chọn dây chuyền sản xuất Urê theo phương pháp tuần hoàn lỏng để lỏng để tính
toán.

2. Lựa chọn các điều kiện công nghệ:
Các tiêu chi công nghệ chính của tháp tổng hợp là, áp suất, nhiệt độ,tỷ lệ phân tử
NH
3
: CO
2
, tỷ lệ H
2
O : CO
2
, trong nguyên liệu đưa vào tháp tổng hợp.
2.1. Áp suất :
Trong thực tế sản xuất do thời gian vật liệu dừng trong thpá bị hạn chế, làm cho
pha lỏng và pha khí cũng như phản ứng của nguyên liệu phản ứng trước khi ra
khỏi tháp không thể đạt được trạng thái cân bằng hoàn toàn,vì thế thường là trị
số áp suât hơi nước của nguyên liệu trên đỉnh tháp tổng hợp sẽ cao áp suất khi

13
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
đạt được cân bằng. Mặt khác khí CO
2
đưa vào tháp tổng không đạt được độ
thuần 100%, ngoài ra để tránh cho phần lót trong tháp không bị ăn mòn, người
ta còn đưa thêm một phần không khí hoặc oxi, như thế sẽ làm cho áp suất ở đỉnh
tháp tăng lên. Căn cứ vào tình hình nêu trên, việc lựa chọn áp suất thao tác của
tháp tổng phải lớn hơn áp suất hơi nước của nguyên liệu trên đỉnh tháp như thế
NH
3
dư và cacbamat trong hỗn hợp bị phân giải trong pha lỏng. Nói chung áp
suất thao tác tăng thì hiệu suất chuyển hoá tăng. Nhưng áp suất thao tác không

thể tăng vô hạn, bởi suất sau khi đã tăng tới mức nhất định nếu lại tăng tiếp thì
hiệu suất chuyển hoá tăng không đáng kể. Mặt khác khi tăng áp suất thì tiêu hao
động lực cũng tăng lên và yêu cấu kết cấu đối với tháp tổng hợp cũng cao. Vì
vậy việc lựa chọn áp suất thao tác được lấy theo áp suất cân bằng của hỗn hợp ở
đỉnh tháp làm chuẩn và cao hơn 20% tức là 196 ÷ 200 at
2.2 Nhiệt độ:
Nhiệt độ tháp tổng hợp tăng cao, thì tốc độ phản ứng tổng hợp tăng, hằng số cân
bằng của phản ứng của cacbamat thoát nước lớn, hiệu suất chuyển hoá tăng.
Nhưng khi thành phần nguyên liệu đưa cố định thì nhiệt độ cũng tăng lên đến
một nhất định cho hiệu suất chuyển hoá tối đa sau đó sự chuyện hoá lại giảm
xuống. Điều chủ yếu là khi nhiệt độ tăng thì tốc độ ăn mòn lớp lót bên trong
tháp tổng hợp cũng tăng, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ ăn mòn vật liệu
là rất rõ rang, khi vượt quá nhiệt độ nào đó tốc độ ăn mòn của lớp lót sẽ tăng
nhanh. Sự lựa chọn nhiệt độ của tháp tổng hộp là lấy khả năng chịu ăn mòn của
vật liệu làm nhân tố chính ngoài tốc độ phản ứng để xem xét. Vì vậy chúng ta
chọn nhiệt độ khoảng 188 ÷ 190
0
C.
2.3. Tỷ lệ NH
3
: CO
2
Xét về lý thuyết trong điều kiện nhất định thì tỷ lệ NH
3
: CO
2
lớn thì hiệu suất
chuyển hoá cao và lượng Urê tạo ra cũng cao.Nếu tỷ lệ NH
3
: CO

2
lớn quá làm
cho thời gian vật liệu dừng lại trong tháp ruát ngắn sẽ dẫn đến hiệu suất chuyển
hoá giảm đi, còn áp suất cân bằng của dung dịch trong tháp sẽ tăng cao khi
NH
3
:CO
2
lớn quá làm cho hệ thống thu hồi cồng kềnh. Việc lựa chọn tỷ lệ
NH
#
:CO
2
còn phải tính đến sự cân bằng nhiệt ở nhiệt độ tốt nhất của tháp tổng

14
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
hợp. Thực tế sản xuất người ta thường chọn tỷ lệ NH
3
/CO
2
= 4 ÷ 5, khi có nhiều
lượng NH
3
dư sẽ sớm xuất dịch lỏng và giảm khả năng tạo Biure.
2.4. Tỷ lệ H
2
O : CO
2
Việc tăng tỷ lệ H

2
O : CO
2
sẽ có tác dụng không tốt đối với phản ứng tổng hợp
Urê, xét về cân bằng hoá học thì có lợi cho phản ứng loại nước khỏi cacbamat
để tạo thành Urê, mà lại có lợi cho việc thuỷ phân Urê. Nếu nhiệt độ của tháp
tổng hợp ở 188
0
C thì tỷ lệ H
2
O : CO
2
cứ tăng lên 0,1 thì hiệu suất chuyển hoá sẽ
giảm đi 1%, như vậy làm cho chất chưa phản ứng tăng lên, dẫn đến tỷ lệ đó
trong nguyên liệu đưa vào tăng cao, hiệu suất chuyển hoá càng giảm. Tỷ lệ đó
trong nguyên liệu đưa vào được quyết định bởi lượng nước dung dịch cacbamat
đưa vào, và thường lấy tỷ lệ H
2
O : CO
2
= 0,6 ÷ 0,8.
PHẦN III
CƠ SỞ HOÁ LÝ TỔNG HỢP URÊ TỪ AMONIAC LỎNG VÀ KHÍ
CACBONIC
Tổng hợp Urê từ khí CO
2
và NH
3
lỏng được tiến hành qua hai giai đoạn nối
tiếp nhau:

– Tác dụng của CO
2
và NH
3

– Chưng cất sản phẩm tổng hợp và chế biến dung dịch Urê thành sản
phẩm.
Khi tổng hợp Urê những phản ứng thuận nghịch xảy ra kế tiếp nhau, đầu tiên thu
được amoni cacbamat
2NH
3
+ CO
2
 NH
2
COONH
4
+ 38 kcal
Sau đó, amoni cacbamat giải phóng nước và chuyển thành Urê
NH
2
COONH
4
 (NH
2
)
2
CO + H
2
O – 6,8 kcal

Quá trình tiến hành với sự tạo thành của hai pha:

15
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
– Pha khí gồm: NH
3
, CO
2
và hơi nước.
– Pha lỏng gồm: các muối chảy lỏng của amoni cacbamat, Urê và nước
Urê chỉ bền vững trong dung dịch nước ở nhiệt độ nhỏ hơn 80
o
C, khi cao
hơn nhiệt độ này Urê sẽ bị hydrat hóa và chuyển thành amoni cacbamat
(NH
2
)
2
CO + H
2
O  NH
2
COONH
4
– Q
Trong dung dịch loãng thì amoni cacbamat hầu như bị chuyển hoàn toàn
thành cacbonat. Nhiệt độ nóng chảy của cacbamat nguyên chất là 152
÷
155
o

C.
Khi có mặt các muối cacbonat thì nhiệt độ nóng chảy của cacbamat giảm
Hình 1. Giản đồ tan của hệ H
2
O – NH
2
COONH
4

60
20
0
80604020
152
1000
100
140
0
( C)
4
NH

COONH
2
( %KL)
Amonicacbamat
(NH4)2CO3.2NH4HCO3
Amonicabonat
Urê được tạo thành chỉ trong pha lỏng, bởi vì amoni cacbamat rắn khi đun
nóng giải phóng nước rất chậm.

Hình 2. Giản đồ trạng thái của hệ Urê – amoni cacbamat – amoniac

16
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
30
40
50
60
70
80
90 10
20
30
40
50
60
90
90 80 70 40 30 20 10
X
Z
Y
A
E
C
D
119
120
80
0
0

0
100
0
2
(NH
2
) CO
3
NH
2
NH

COONH
4
M
Trên đó giới hạn trường kết tinh (NH
2
)
2
CO, NH
2
COONH
4
và NH
3
. Đồng
thời khu vực phân lớp, trong đó gồm hai chất lỏng ba cấu tử, điểm thành phần
của các chất lỏng ấy trên giao điểm của đường đẳng nhiệt, tương ứng với đường
cong giới hạn khu phân lớp. Giản đồ chia làm 3 trường kết tỉnh được giới hạn
bởi các đường EC, ED, EA. Các điểm trên đường cong giới hạn giữa các trường

kết tinh, biểu diễn thành phần dung dịch bão hòa của hai muối tương ứng. Điểm
E biểu diễn thành phần dung dịch bão hòa của 3 muối. Với quá trình tổng hợp
Urê khu vực có muối cacbamat chảy lỏng là quan trọng nhất. Điểm M ở trên
giản đồ ứng với 34% (NH
2
)
2
CO và 66% NH
2
COONH
4
với nhiệt độ nóng chảy
của hỗn hợp là 120
0
C, nếu thêm NH
3
lỏng vào hỗn hợp thì thành phần của nó sẽ
biến đổi theo đường MZ, khi đó tỷ số giữa hai cấu tử (NH
2
)
2
CO : NH
2
COONH
4
là không đổi, còn lượng NH
3
tăng sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của cacbamat,
làm tăng vùng lỏng của amoni cacbamat. Độ tan của amoni cacbamat trong NH
3

là không đáng kể. Nhưng khi có mặt Urê thì độ tan của nó tăng khá nhanh, điều
đó cũng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình tổng hợp Urê. Như vậy, việc tăng
lượng ammoniac cho quá trình tổng hợp Urê sẽ thúc đẩy sự chảy lỏng của
cacbamat amon, nghĩa là tăng lượng pha lỏng và do đó hiệu suất tổng hợp sẽ
tăng.
1. Cân bằng phản ứng tổng hợp Urê

17
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Theo cơ sở trên, 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
NH
2
COONH
4
 (NH
2
)
2
CO + H
2
O – Q
Hằng số cân bằng của phản ứng:
K =
][
][])[(
42
222

COONHNH
OHxCONH
Giả sử ban đầu có 1 mol NH
2
COONH
4
Khi cân bằng có x mol Cacbamat được chuyển hoá thành Urê, thì tại thời
điểm cân bằng:
NH
2
COONH
4
1 – x (mol)
(NH
2
)
2
CO x (mol)
H
2
O x (mol)
Tổng số mol : 1 + x (mol)
Hằng số cân bằng:
x
x
x
x
x
x
K

n
+
−
++
=
1
1
1
*
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 NH
3
/CO
2
= 2. Còn khi
có lượng dư Amoniac và H
2
0 đưa vào thì công thức trên không còn phù hợp.
Nếu xét tổng quát quá trình:
2NH
3
+ CO
2
 (NH
2
)
2
CO + H
2

O + Q
Hằng số cân bằng :

[ ] [ ]
[ ] [ ]
2
2
3
222
)(NH
COxNH
OHxCO
K =
Giả sử CO
2
đưa vào là 1 mol
NH
3
đưa vào là a mol ( a ≥ 1)
H
2
O đưa vào là b mol

18
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Tại thời điểm cân bằng có x mol CO
2
được chuyển hoá thành Urê khi đó thành
phần của các cấu tử:
CO

2
1 – x mol
NH
3
a – 2x mol
(NH
2
)
2
CO x mol
H
2
O b + x mol
Khi đó hằng số cân bằng được tính :

xba
xb
xba
xa
xba
bx
xba
x
K
−++
−
−++
−
−++
+

−++
=
1
*
1
2
1
*
1
Công thức này phù hợp cho điều kiện thực nghiệm, khi thực hiện ở điều
kiện nhiệt độ ≤ 190
0
C và nó đúng trong trường hợp dư Amoniac không lớn lắm
khi tăng lượng dư ammoniac thí sự chênh lệch trong thực tế sẽ tăng lên.
2. Động học quá trình tổng hợp Urê
Như trên đã trình bày, quá trình tạo Urê từ NH
3
lỏng và khí CO
2
gồm 2 giai
đoạn:
– Giai đoạn 1: phản ứng tạo amoni cacbamat
2NH
3
+ CO
2
 NH
2
COONH
4

+ Q
1
(1)
– Giai đoạn 2: phân hủy amoni cacbamat tạo Urê
NH
2
COONH
4
 NH
2
CONH
2
+ Q
2
(2)
Qua nghiên cứu người ta nhận thấy giai đoạn 2 là giai đoạn quyết định tốc
độ phản ứng.
Gọi k
1
là hằng số của phản ứng thuận của (2) và k
2
là hằng số tốc độ phản
ứng nghịch của (2).
Phương trình tốc độ của phản ứng (2) :

19
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê

2
1 2

( )
dx
k a x k x
dt
= × − − ×
Trong đó a – nồng độ amoni cacbamat ban đầu
x – nồng độ amoni cacbamat sau phản ứng
t – thời gian phản ứng
Lượng dư NH
3
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:
‘
1 2
( )
x
k a x k x x
δ
δτ
= × − − × ×
với x
’
là hệ số hoạt tính của H
2
O.
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp.
3.1. Ảnh hưởng của áp suất:
Trong quá trình tổng hợp Urê áp suất không phải là một biến số độc lập mà nó
phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần nguyên liệu ban đầu đưa vào tháp

Amoni cacbamat có áp suất hơi cao, do đó mà tổng hợp Urê phải được thực
hiện dưới áp suất lớn P = 200
÷
300 atm.Nếu thấp hơn áp suất cân bằng không
những làm NH
3
thoát ra làm Amoniac dư trong pha lỏng giảm thấp đồng thời có
khả năng làm cho cacbamat amon bị phân giải từ đó làm giảm hiệu suất chuyển
hoá CO
2
Hình 3: Áp suất hơi cân bằng trên Urê chảy lỏng, thu được khi quan hệ theo
tỷ lệ NH
3
: CO
2
= 2

20
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
100 150 200 250
0
100
200
300
400
500
( C)
0
(atm)
1

2
3
4
Áp suất hơi trên Urê chảy lỏng phụ thuộc không chỉ vào nhiệt độ chảy lỏng,
mà còn cả quan hệ giữa cấu tử NH
3
và CO
2
trong hỗn hợp đầu. Nó sẽ tăng đột
biến khi tăng hàm lượng CO
2
trong hỗn hợp ban đầu vượt qua tính toán lý
thuyết. Còn khi dư NH
3
không dẫn đến việc tăng áp suất mạnh như thế.
Tốc độ tạo thành amoni cacbamat tăng lên gần như tỷ lệ với bình phương
của áp suất. Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ không cao việc tạo thành amoni
cacbamat tiến hành rất chậm, còn ở 100 atm và 150
o
C thì phản ứng xảy ra tức
thời.
Mặt khác theo phương trình tổng quát tổng hợp Urê:
2NH
3
+ CO
2
 (NH
2
)
2

CO + H
2
O + Q
Đây là phản ứng toả nhiệt giảm thể tích nên theo nguyên lý chuyển dịch
cân bằng thì khi áp suất tăng thì phản ứng xảy ra theo chiều thuận tạo thành Urê
như vậy hiệu suất chuyển hoá sẽ tăng.
Để đảm bảo cho quá trình tổng hợp Urê thì áp suất trong tháp phải lớn hơn
áp suất cân bằng trên bề mặt Amoni Cacbamat chảy lỏng. Áp suất của Amoni
Cacbamat chảy lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ:
t (
0
C) 77,6 98,5 114,5 130,2 152 183 197
P
hơi
(atm) 2,98 8,42 18,7 38,4 83,3 150,4 259,9

21
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Tuy nhiên áp suất không thể tăng vô hạn vì khi đo chế tạo thiết bị sẽ tốn
kém nên thường chọn áp suất tổng hợp là 200at
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Mặc dù Urê được tạo thành từ amoni cacbamat chảy lỏng, nhưng quá trình
ấy lại được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chảy lỏng của amoni
cacbamat sạch, bởi vì tùy theo việc đun nóng amoni cacbamat sẽ giải phóng
nước và tạo thành Urê. Chính lượng nước đó sẽ làm hạ thấp nhiệt độ nóng chảy
của amoni cacbamat. Nhiệt độ nóng chảy của amoni cacbamat cũng giảm rất
nhanh khi có mặt Urê.
Mặt khác dưới tác dụng của nước một bộ phận cacbamat cũng chuyển
thành amoni cacbonat và sau đó tạo thành Bi cacbonat, những chất đó cũng làm
hạ thấp nhiệt độ chảy lỏng của amoni cacbamat.

Hình 4: Giản đồ chảy lỏng của hệ NH
2
COONH
4
– (NH
2
)
2
CO
20 40 60 80 100
152
140
120
110
100
0
98
132
(NH
2
) CO
( C)
0
2
Trên giản đồ thấy nhiệt độ nóng chảy của NH
2
COONH
4
bị giảm rất nhanh
khi có mặt (NH

2
)
2
CO. Hỗn hợp eutectic gồm 51% NH
2
COONH
4
và 49%
(NH
2
)
2
CO bị chảy lỏng ở 98
o
C.

22
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp thì tốc độ phản ứng xảy ra chậm
hơn, động lực của phản ứng giảm. Để đảm bảo cho quá trình tổng hợp thì phải
luôn giữ nhiệt độ của khối phản ứng lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của amoni
cacbamat. Do vậy khi tổng hợp Urê ở nhiệt độ từ 180
÷
200
o
C để đảm bảo hiệu
suất phản ứng, cân bằng và động lực quá trình mà không ảnh hưởng đến ăn mòn
thiết bị.
3.3. Ảnh hưởng của độ chứa đầy
Độ chứa đầy là lượng nguyên liệu chứa trong một đơn vị thể tích thiết bị

γ
(g/cm
3
)

v
ω
γ
=
(g/cm
3
) trong đó
ω
– lượng nguyên liệu chứa trong tháp (g)
v – thể tích thiết bị phản ứng (cm
3
)
Hình 5
50
10 0,5
100
300
500
(g/m )
(Kg/cm )
2
3
T T T
1
2

3
Độ chứa đầy lớn thì hiệu suất chuyển hóa Urê cao (không kể lượng NH
3
dư
nhiều hay ít). Độ chứa đầy lớn thì áp suất cân bằng cũng lớn theo. Khi
γ
tăng thì
thành phần thể tích của các cấu tử trong pha lỏng sẽ tăng, do đó sẽ thúc đẩy phản
ứng tạo thành Urê.
3.4. Quan hệ giữa thời gian đun nóng và nhiệt độ với tốc độ tạo thành
Urê, hiệu suất Urê:

23
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
Sự phụ thuộc hiệu suất Urê vào thời gian khử amoni cacbamat ở các nhiệt
độ khác nhau, được chỉ ra ở hình 6.

20 40 60 2
3
4
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
140
145

155
160
180
200
0
0
0
0
0
0
Tốc độ tạo thành Urê và hiệu suất Urê càng cao khi nhiệt độ càng lớn. Cao
hơn 180
o
C các đường cong hiệu suất đi qua cực đại, nghĩa là kéo dài thời gian
đun nóng hỗn hợp phản ứng thì mức độ chuyển cacbamat thành Urê bị giảm.
Điều đó được giải thích do những phản ứng phụ tiến hành mạnh mẽ. Ngoài ra
trên 200
o
C việc ăn mòn thiết bị tiến hành mạnh mẽ.
3.5. Ảnh hưởng của nước sinh ra trong quá trình tổng hợp
Nước tạo thành ở lúc bắt đầu quá trình sẽ làm tăng mức độ chuyển hóa
amoni cacbamat thành Urê bởi vì nó tạo điều kiện cho sự xuất hiện pha lỏng.
Nhưng tủy theo mức độ tích luỹ nước mà phản ứng bị chậm lại. Cân bằng được
xác lập thì việc tăng lượng nước về sau sẽ ảnh hưởng ngược lại quá trình.
Hình 7 :

24
Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê

(HiÖu suÊt Ure %)

44
40
36
32
28
24
20
0 0,2
0,4
0,6 0,8
1 1,2
Lượng nước sinh thành được tác dụng với lượng amoniac dư và tạo thành
NH
4
OH và do đó cân bằng bị phá vỡ và việc tạo thành Urê tiếp tục xảy ra. Tuy
vậy, do việc tạo thành NH
4
OH nên tỷ lệ NH
3
/CO
2
giảm và hiệu suất cân bằng
giảm. Một nguyên nhân nữa là do một phần amon cacbamat tác dụng với nước
tạo sản phẩm phụ amoni cacbonat và Bi-cacbonat.
3.6. Ảnh hưởng của CO
2
đến hiệu suất Urê
Lượng CO
2
dư hầu như không ảnh hưởng đến hiệu suất Urê, nhưng nồng

độ của nó trong khí ban đầu lại có ý nghĩa rất lớn. Nồng độ càng cao thì mức độ
chuyển hóa càng lớn.
(%)
60
50
40
30
280210140
(atm)

25
. Hiện nay ở nước ta có hainhà máy sản xuất Urê là xí nghiệp sản xuất Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc ở Bắc Giang vànhà máy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu. Đồ án tốt nghiệp – Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêNhà máy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu sử dụng dây chuyền côngnghệ của hãng Haldor Topsoe ( Đan Mạch ) và của hãng Snamprogetti ( Ý ) đi từnguồn nguyên vật liệu khởi đầu là khí sát cánh, tạo ra NHlỏng và khí COđưa vàtổng hợp Urê. Nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc đi từ nguồn nguyên vật liệu bắt đầu làthan đá tạo ra NHlỏng và khí CO, sử dụng dây chuyền công nghệ tiên tiến tuần hoànlỏng hàng loạt cho quy trình tổng hợp Urê. Phần giám sát phong cách thiết kế Xưởng sản xuất Urê dưới đây, được trình diễn dựatrên dây chuyền của Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc. PHẦN IGIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM URÊ ( NHCOI. NGUYÊN LIỆU. 1. Đioxit Cacbon : Công thức hoá học : COKhối lượng phân tử : 44 ( Đ.V.C ) Ở điều kiện kèm theo thường điôxit cacbon là chất khí không màu. Ở 0 Ckhi nénđến áp suất 35,5 atm thì điôxit cacbon sẽ hoá lỏng. Chất lỏng không màu. Tiếptục hạ nhiệt độ nó tạo băng COtrắng. Trong sản xuât Ure, nguốn nguyên vật liệu COthường được sản xuất từ than, khí thiên nhiên … Để đạt được nhu yếu về độ sạch của CO, khí sau khi sản xuấtđược tinh chế và làm sạch. Trong thành phần khí theo COvào tháp tổng hợpUre người ta chăm sóc nhất là hàm lượng khí HS vì nó gây ăn mòn thiết bị rấtmạnh và tác động ảnh hưởng đến chất lượng mẫu sản phẩm. Trong thành phần khí ngoài raĐồ án tốt nghiệp – Thiết kế dây chuyền sản xuất Urêcòn có những khí khác như N, H … Hiện nay ở công ty Phân đạm và Hoá chất HàBắc COđược sản xuất từ than Antraxit2. AmoniacCông thức hoá học : NHKhối lượng phân tử : 17,03 ( Đ.V.C ) Ở điều kiện kèm theo thường, Ammoniac là chất khí không màu, có mùi khai và xốc. Một số hằng số hoá lý cơ bản của Ammoniac : Nhiệt độ sôi : – 33,75 Nhiệt độ nóng chảy : – 77,75 Nhiệt độ kết tinh : 132,4 Thể tích phân tử ( 0C, 760 atm ) : 22,081 lítTỷ trọng ( 0C, 760 atm ) : 0,771 g / lítAmoniac là chất hoà tan tốt trong nước. Ở nhiệt độ thường và áp suất ngoàitrời 1 lít nước hoà tan gần 750 lít NHkhí. Ở nhiệt độ thường NHrất không thay đổi, ởnhiệt độ cao ≥ 1200C thì bị phân huỷ. Trong sản xuất Ure, Ammoniac được điều chế từ N, H. Nồng độ của NHtrong đó rất cao đạt ≥ 99,8 % khối lượng. Phần còn lại hầu hết là nước và 1 lượng nhỏ khí hoà tan khác. Trong sản xuất Ure thì nhu yếu về nguồn nguyênliệu NHcho tổng hợp Ure là NHlỏng giàu, lượng khí. Nguồn nguyên vật liệu hầu hết ở nước ta lúc bấy giờ để sản xuất hai khí nguyênliệu này là than, qua nhiều quá trình do đó thiết bị sản xuất cồng kềnh. Nên chiphí góp vốn đầu tư lớn, làm tăng giá thành loại sản phẩm. Hiện nay ở nước ta có nguồn nguyên vật liệu là khí sát cánh hoàn toàn có thể dùng sảnxuất khí nguyên vật liệu cho quy trình tổng hợp Urê. Nếu sử dụng nguồn nguyên liệulà khí sát cánh cho việc sản xuất nguyên vật liệu tổng hợp Urê thì ngân sách đầu tưĐồ án tốt nghiệp – Thiết kế dây chuyền sản xuất Urêsẽ giảm so với dây chuyền sản xuất Urê từ khí nguyên vật liệu được sản xuất từthan. Xét tình hình đơn cử ở nước ta lúc bấy giờ để sản xuất Urê sử dụng nguyênliệu là than vẫn có hiệu suất cao tương đối cao bởi một số ít điều kiện kèm theo sau : + Khí sản xuất khí nguyên vật liệu thì tiêu thụ một lượng than rất lớn nên giảiquyết được thực trạng ngưng trệ của nghành than lúc bấy giờ do tạo được công ăn việclàm và thu nhập không thay đổi cho người lao động ngành than. + Là cơ sở để kiến thiết xây dựng một phối hợp sản xuất nhiều mẫu sản phẩm phân bón vàhoá chất như Urê, NPK, SODA, DAP, HSO, , 3. Yêu cầu về nguyên vật liệu cho quy trình tổng hợp Urê. a. Yêu cầu về NHNguyên liệu dùng trong sản xuất Urê là NHlỏng, lượng nước dầu và khítrơ hoà tan trong NHlỏng càng ít càng tốt. Hàm lượng NHtrong Amoniac lỏngnói chung không nhỏ hơn 99,8 %. Hàm lượng khí trơ hoà tan trong NHphảithật nhỏ. Nếu trong NHcó hoà tan nhiều Hvà Nthì sau khi vào tháp tổng hợpUrê sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất tổng hợp Urê. Lượng dầu chứa trong NHlỏng không được lớn hơn 15 ppm, nếu hàm lượng dầu quá lớn sẽ làm bẩn bề mặttrao đổi nhiệt. Trong NHlỏng thường chứa bột xúc tác tổng hợp NH, bởi vậyphải đuư lọc sạch trước khi vào tháp tổng hợp Urê, nếu không sẽ bao trùm tạolớp cặn trên bề bặt truyền nhiệt. b. Yêu cầu về nguyên vật liệu COKhí COdùng cho tổng hợp Urê phải phân phối những nhu yếu sau : Nồng độ CO ≥ 98,5 % khí trơ không tham gia vào phản ứng tổng hợp ≤ 1,5 % tạp chất lưu huỳnh < 15 mg / mtiêu chuẩnĐồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêHàm lượng lưu huỳnh trong khí COcàng nhỏ càng tốt bởi hợp chất sunfuacó năng lực gây ăn mòn rất mạnh so với những thiết bị sản xuất Urê vì thế phảikhử bỏ lưu huỳnh trước khi vào tháp tổng hợp. Hàm lượng Htrong khí trơ cần khống chế < 1,2 %. Nếu hàm lượng Htănglên thì ở bộ phân nào đó trong mạng lưới hệ thống tổng hợp Urê sẽ tạo thành NH – H - Olà một hỗn hợp khí nổ rất nguy khốn khi gặp tia lửa. Để ngăn ngừa thiết bị sảnxuất Urê bị ăn mòn trước khi đưa khí COvào tháp tổng hợp người ta đưa vàocùng một luợng không khí hoặc oxi nguyên chất chiếm khoảng chừng 2,5 % thể tíchkhông khí và duy trì hàm lượng Otrong COlà 0,5 % thể tích. II. SẢN PHẨM URÊ. 1. Tính chất vật lý : Công thức hoá học : ( NHCOKhối lượng phân tử : 70 ( Đ.V.C ) Phân Urê hay còn gọi là Cacbamit, là phân có chứa nhiều nitơ nhất ( 46 % ). Urê tinh khiết là tinh thể màu trắng, tỷ trọng 1,33 g / cm, nhiệt độ nóng chảykhoảng 132,4 C.Thành phần của phân Urê gồm có : - Hàm lượng Urê nguyên chất : 99,2 % - Hàm lượng Fe : 0,005 % - Hàm lượng NHtự do : < 0,015 % 2. Tính chất hóa học : a. Tác dụng nhiệt : Urê khi đốt nóng dưới áp suất khí quyển, đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độnóng chảy ( tnc ) sẽ bị phân hủy thoát NH. Cơ chế của quy trình như sau : Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê ( NHCONHOCNNHOCNHOCN + NHAxit xyanicHOCN + ( NHCONHCONHCONHBiureHợp chất Biure là thành phần có hại so với cây cối, nó làm cây cối bịbạc lá. Vì vậy cần phải tổng hợp Urê trong điều kiện kèm theo thích hợp tránh việc tạoBiureb. Độ tan của Urê trong những dung môi : Urê tan tốt trong nước, rượu và dung dịch amoniac. Dung dịch Urê bão hòaở nhiệt độ t = 20C có 51,83 % ( NHCO = 60C có 78,8 % ( NHCO = 120C có 95 % ( NHCOỞ nhiệt độ trên 130C, dung dịch nước cacbamit sẽ bị phân hủy thành NHvà COc. Tác dụng với những axit : Urê công dụng với những axit tạo thành những muối khác nhau : - Hợp chất muối Nitrat : ( NHCO.HNOít tan trong nước, khi bị đốtnóng sẽ phân hủy và nổ. - Hợp chất muối phốt phát : ( NHCO.HPOhòa tan tốt trong nước vàphân ly trọn vẹn. d. Tác dụng với những muối : Urê có phản ứng với 1 số ít muối tạo thành những phức, thường có chứa tới 2 cấu tử phân bón như Ca ( NH. 4CO ( NHĐồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêCa ( HPO.HO + ( NHCOCO ( NH.HPO + CaHPO. H3. Ứng dụng của Urê : a. Trong nông nghiệp : Urê là loại phân đạm có thành phần Nitơ nhiều nhất ( 46 % ) khối lượng, phân phối một hàm lượng đạm lớn cho cây cối. Urê hoàn toàn có thể dung bón cho câytrồng dưới dạng rắn, dạng lỏng tưới gốc hoặc sử dụng như phân phun qua lá đốivới một số ít loại cây xanh. Vì vậy phân Urê được sử dụng rất thoáng rộng trong nôngnghiệp. b. Trong công nghiệp : Urê được dùng làm nguyên vật liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt quan trọng là nhựaUrê-formandehit. Urê là thành phần chính của phân hóa học Urê và được dùng để bổ sungthức ăn cho động vật hoang dã, nó cung ứng một nguồn đạm cố định và thắt chặt tương đối rẻ tiền đểgiúp cho sự tăng trưởng. Được sử dụng để sửa chữa thay thế cho muối ( NaCl ) trong việc vô hiệu băng haysương muối của lòng đường hay đường sân bay trường bay. Nó không gây hiện tượngăn mòn như muối. Urê là một thành phần bổ trợ cho thuốc lá để thêm mùi vị. Urê là thành phần của dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước thơm. c. Trong phòng thí nghiệm : Urê là chất biến tính protein mạnh. Thuộc tính này được sử dụng để làmtăng độ hòa tan của 1 số ít protein. Vì đặc thù này nó được sử dụng trong cácdung dịch đặc tới 10M. d. Trong y học : Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêUrê được sử dụng trong những mẫu sản phẩm da liễu để giúp cho quy trình táihydrat hóa của da. Urê được sản xuất và bài tiết khỏi khung hình với một vận tốc gần như không đổi, nồng độ Urê trong máu chỉ ra yếu tố với sự bài tiết nó hoặc trong một số ít trườnghợp nào đó là sự sản xuất quá nhiều Urê trong khung hình. ( Theo www.wikipedia.org ) Nồng độ Urê cao trong khung hình hoàn toàn có thể sinh ra những rối loạn thần kinh. Thờigian dài bị Uremia hoàn toàn có thể làm đổi màu da sang màu xám. Tóm lại Urê có vai trò to lớn trong rất nhiều nghành và trong đời sống conngười, trong đó nhấn mạnh vấn đề đến vai trò là phân bón trong sản xuất nông nghiệp. Vì vậy nghiên cứu và điều tra, phong cách thiết kế dây chuyền sản xuất Urê có ý nghĩa rất quan trọng. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêPHẦN IITỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT URÊ TỪ NHLỎNG VÀ KHÍ COI. Lựa chọn dây chuyền sản xuất : Tổng hợp trực tiếp Urê từ NHvà CObao gồm một số ít quá trình : - Tác dụng giữa NHvà CO ( quy trình tổng hợp ) - Chưng cất mẫu sản phẩm tổng hợp - Chế biến dịch Urê thành sản phẩmNhững giải pháp tổng hợp Urê ít khác nhau bởi những điều kiện kèm theo quátrình tổng hợp và chúng được phân loại hầu hết là theo chiêu thức sử dụngcác khí chưng luyện. Hiện nay có 3 chiêu thức phổ cập để sản xuất Urê. 1. Phương pháp không tuần hoàn NHdư : Trong dây chuyền sản xuất phâm đạm Urê khi thực thi quy trình khôngtuần hoàn amoniac dư người ta dùng nó để chế biến những loại sản phẩm phụ khác như : amoni nitrat, amoni sunfat, những muối amoni khác hoặc NHlỏng. Nếu tiến hànhsản xuất Urê theo giải pháp này ta hoàn toàn có thể tích hợp để sản xuất những sản phẩmkhác, khi đó lại cần phải có ngân sách góp vốn đầu tư cho những dây chuyền sản đó. 2. Phương pháp bán tuần hoàn : Trong giải pháp có tuần hoàn amoniac chưa bị chuyển hóa thành Urêthì người ta tách nó khỏi khí chưng luyện Urê chảy lỏng và cho quay trở lại chutrình. Việc chưng luyện hoàn toàn có thể thực thi một cấp hay hai cấp. Khi chưng luyện một cấp, Urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra được tiết lưuđến 1,2 at và được đưa vào chưng luyện ở 70C. Amoniac và loại sản phẩm phân hủycác muối amoni thu được sau khi chưng luyện được đưa vào chế biến thànhamoni nitrat hoặc những mẫu sản phẩm khác. Dung dịch Urê được bốc hơi cô đặc, sauđó kết tinh. Khi chưng luyện Urê chảy lỏng hai cấp thì phần đông Urê chảy lỏng đượcquay trở lại quy trình. Tăng lượng NHdư khi tổng hợp Urê sẽ tăng được phầnNHchưng cấp ở cấp I của chưng luyện và lượng NHđược chế biến thànhĐồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêNHNObị giảm. Điều đó được cho phép sử dụng lượng NHdư trong quy trình tổnghợp lớn hơn so với chưng luyện một cấp. Khí sau khi chưng luyện hai cấp làCO, NHvà hơi nước hoàn toàn có thể đem đi chế biến thành amoni nitrat hoặc muốiamoni quay lại quy trình. 3. Phương pháp tuần hoàn lỏng : So với những chiêu thức khác thì giải pháp sản xuất Urê cùng với sựquay trở lại hàng loạt những khí chưng luyện chưa hấp thụ ở dạng lỏng được sử dụngphổ biến lúc bấy giờ trong công nghệ tiên tiến sản xuất Urê. Ưu điểm điển hình nổi bật của phươngpháp này so với những giải pháp khác ở chỗ lưu trình đơn thuần thiết bị chắcchắn đáng an toàn và đáng tin cậy, định mức tiêu tốn hoàn toàn có thể giảm đến hơn cả tối thiểu. Hiện nay sống sót một số ít chiêu thức tái sinh khí chưng luyện nhằm mục đích tuầnhoàn chúng : 1 - Ép nóng2 - Hấp thụ những khí bằng dầu khoáng3 - Hấp thụ tinh lọc NHvà CO ( tuần hoàn khí ) 4 - Quay NHvà COtrở lại quy trình ở dạng dịch lỏng của những muối amoni ( tuần hoàn lỏng ) Theo chiêu thức ép nóng thì hỗn hợp NHvà COđược nén ở 175210C, nghĩa là những điều kiện kèm theo loại trừ sự tạo thành amoni cacbamat rắn. Phươngpháp này chưa được ứng dụng thoáng rộng trong công nghiệp vì những khó khănsinh ra khi nén hỗn hợp khí ở nhiệt độ cao và ít kinh tế tài chính mặc dầu là sử dụng NHcao đến 93 %. Hãng CHEMICO của Mỹ đề ra tuần hoàn NHvà COthực hiện ởtrạng thái nóng đồng thời phân hủy amoni cacbamat theo những quá trình 70 at, 1428 at và 1 at. Khí chưng luyện thoát ra được nén đến áp suất 210 at là áp suấtquá trình tổng hợp phải triển khai. Việc đốt nóng những khí xảy ra do nén đoạnnhiệt. Nhiệt dư trong quy trình tổng hợp được sử dụng để sản xuất hơi nước. 10 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêKhi hấp thụ NHvà CObằng dầu khoáng trơ thì huyền phù amonicacbamat được tạo thành đi vào tháp tổng hợp. Quá trình tổng hợp được tiếnhành ở 210 at và 180C. Mức độ chuyển NHvà COthành Urê là 4050 %. Nhiều giải pháp dựa vào hấp thụ tinh lọc một trong những cấu tử NHvàCOđã được đưa ra. Ví dụ : hấp thụ tinh lọc NHtừ những khí chưng luyện bởidung dịch Urê nitrat ( chiêu thức INVENTA ). Dioxit cacbon không bị hấp thụ, thải đi hoặc sử dụng lại quy trình. Hấp thụ tinh lọc khí COtừ khí chưng luyện ( chiêu thức CHEMICO ) là một ví dụ khác, theo giải pháp này thì quátrình tổng hợp được triển khai ở 170 atm và 175185C, khi xuất hiện lượng dưNH3 lớn ( NH3 / CO2 = 6/1 ) ; điều đó được cho phép nâng cao mức độ chuyển amonicacbamat thành Urê đến 76 %. Việc hấp thụ khí COnhờ mono etanol amin. Ngày nay so với chiêu thức này, chính sách kỹ thuật đã khác đi chút ít. Quá trìnhnày đã được triển khai dưới áp suất 280 at và ở nhiệt độ 205232C, tỷ số NH : CO = ( 44,5 ) : 1. Hiệu suất Urê khi ấy là 8085 %. Tháp tổng hợp được lótbằng zinconi để nâng cao độ bền. Nhiệt được sử dụng để sản xuất hơi nước. Quátrình được triển khai theo hai cấp. Việc hấp thụ khí COtừ khí chưng luyện đượctiến hành tinh lọc bằng mono etanol amin. Một giải pháp hỗn hợp tuần hoàn những khí trở lại tháp tổng hợp đã đượcnghiên cứu 75 % NHvà COchưa phản ứng được quay trở lại quy trình ở dạngdung dịch của những muối amoni ; 25 % còn lại nhờ vào hấp thụ tinh lọc. Khi hấpthụ tinh lọc bằng dung dịch mono etanol amin thì quy trình hoàn toàn có thể được thựchiện với sự tuần hoàn một bộ phận hoặc hàng loạt khí chưng luyện trở lại chutrình. Những giải pháp triển khai tuần hoàn NHvà COtrở lại quy trình ởdạng dung dịch những muối amoni ( tuần hoàn lỏng ) là giải pháp triển vọngnhất vì tính kinh tế tài chính của nó. Gần đây nhiều hãng sản xuất triển khai thao tác theosự nâng cấp cải tiến của chiêu thức này. Để kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ, tháp được trang bị một vỏ lạnh. Quá trình được tiếnhành trong những điều kiện kèm theo được kiểm tra khắt khe thì hiệu suất tổng hợpUrê đạt đến 68 %. 11 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêQuá trình thực thi chưng luyện Urê được triển khai theo hai cấp, cấp ápsuất dưới 20 at và gần đến áp suất khí quyển. Amoniac và cacbon dioxit quaytoàn bộ trở lại quy trình ở dạng dung dịch những muối amoni. Quá trình bốc hơidung dịch Urê được thực thi dưới áp suất chân không cho đến khi hàm ẩm0, 6 %. Sản phẩm thu được ở dạng hạt có độ tinh khiết cao và có hàm lượng Biurenhỏ. Theo chiêu thức Toyo Koatsu ( Nhật Bản ) thì việc tính năng tương tác củaNHvà COtheo thông số kỹ thuật kỹ thuật khác đi chút ít, áp suất 220230 at, nhiệtđộ 180190C và tỷ số mol NH : CO = ( 3,54,5 ) : 1. Khi ấy mức độchuyển hóa COthành Urê là 58 %. Urê chảy lỏng được đưa vào chưng luyện ở17 atm và 23 atm. Khác với chiêu thức Montecatin là trong phương phápnày có một bộ phận NHthoát ra ở cấp chưng luyện thứ nhất ở dạng chảy lỏngtinh khiết, được đưa quay trở lại quy trình. Một bộ phận NHkhác và COđượcđưa quay trở lại dung dịch ở dạng những muối amoni. Thành phẩm được sản xuấtkhông những ở dạng tinh thể nhỏ mà còn ở dạng hạt. Theo chiêu thức STEMI CACBON thì quy trình tuần hoàn NHvà COchưa phản ứng được triển khai như giải pháp TOYO KOATSU. Quá trìnhtổng hợp được triển khai ở 175190C, áp suất 200 atm và tỷ số mol NHCO = 4,5 : 1. Mức chuyển hóa COthành Urê là 62 %. Quá trình chưng luyệnUrê chảy lỏng được thực thi theo hai cấp ở những áp suất tương ứng 18 atm và 3 atm. Trước khi tạo hạt kết tinh dung dịch được bốc hơi đến nồng độ 99,8 % CO ( NHtrong thiết bị bốc hơi hai cấp. Quá trình bốc hơi thực thi dưới ápsuất chân không ( ở cấp I áp suất 300 mmHg, cấp II là 15 mmHg ). Urê kỹ thuậtthu được trực tiếp từ dung dịch 7074 % đã được chế biến trước bằng than hoạttính nhằm mục đích cải tổ phẩm chất của nó. Ngày nay, hãng STEMI CACBON đã đưa một loạt những cải tổ vàophương pháp này, điều đó đã được cho phép hạ thấp thông số tiêu tốn và giá tiền củasản phẩm. Theo giải pháp mới quy trình tổng hợp Urê được triển khai ở ápsuất 130 atm, nhiệt độ 180C và tỷ số mol NH : CO = 4 : 1, nghĩa là giảm so12Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urêvới khi chưa nâng cấp cải tiến. Urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra cùng với áp suất ấyđược đưa vào tháp thổi để phân hủy amoni cacbamat. Amoni dư và loại sản phẩm phân hủy amoni cacbamat là NHvà COdạng khíđược thổi khỏi dung dịch chảy lỏng nhờ vào COmới cung ứng vào tháp bằngmáy nén và chúng được quay trở lại tháp tổng hợp. Quá trình chưng luyện haicấp dưới áp suất được triển khai tiếp theo. Nhiệt dư được tạo thành khi tổng hợpđược sử dụng để sản xuất hơi nước. Hãng TOYO KOATSU đã đề ra chiêu thức phối hợp sản xuất NHvà Urêhạ thấp đến 67 % ngân sách kinh doanh thương mại và 510 % góp vốn đầu tư cơ bản. Bản chất củaphương pháp là chế biến COtừ khí thu được bởi khí metan và cacbon oxitthành Urê. Hãng INVENTA đề ra giải pháp phân hủy amoni cacbamat mộtcấp thực thi ở 130C và áp suất 4 atm. Khi ấy việc tuần hoàn đạt đến 99 %. Nhìn chung, lúc bấy giờ chiêu thức tuần hoàn lỏng hàng loạt và chưng luyệnhai cấp được sử dụng thoáng đãng nhất., với những ưu điểm điển hình nổi bật. Hiệu suất tổnghợp Urê cao 6568 %, hiệu suất sử dụng nguyên vật liệu cao, định mức tiêu haothấp. Dây chuyền sản xuất khép kín, liên tục mà không cần thêm dây chuyền đểsản xuất những mẫu sản phẩm chứa amoni khác. Trong khuôn khổ trong cuốn đồ án nàyem được giao phong cách thiết kế dây chuyền sản xuất phân xưởng tổng hợp Urê mà khôngsản xuất những loại sản phẩm khác. Để tận dụng được hàng loạt nguyên vật liệu, tránh gâytổn thất, mất mát nguyên vật liệu trong quy trình sản xuất nên trong cuốn đồ án emchọn dây chuyền sản xuất Urê theo giải pháp tuần hoàn lỏng để lỏng để tínhtoán. 2. Lựa chọn những điều kiện kèm theo công nghệ tiên tiến : Các tiêu chi công nghệ tiên tiến chính của tháp tổng hợp là, áp suất, nhiệt độ, tỷ suất phân tửNH : CO, tỷ suất HO : CO, trong nguyên vật liệu đưa vào tháp tổng hợp. 2.1. Áp suất : Trong trong thực tiễn sản xuất do thời hạn vật tư dừng trong thpá bị hạn chế, làm chopha lỏng và pha khí cũng như phản ứng của nguyên vật liệu phản ứng trước khi rakhỏi tháp không hề đạt được trạng thái cân đối trọn vẹn, vì thế thường là trịsố áp suât hơi nước của nguyên vật liệu trên đỉnh tháp tổng hợp sẽ cao áp suất khi13Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urêđạt được cân đối. Mặt khác khí COđưa vào tháp tổng không đạt được độthuần 100 %, ngoài những để tránh cho phần lót trong tháp không bị ăn mòn, ngườita còn đưa thêm một phần không khí hoặc oxi, như vậy sẽ làm cho áp suất ở đỉnhtháp tăng lên. Căn cứ vào tình hình nêu trên, việc lựa chọn áp suất thao tác củatháp tổng phải lớn hơn áp suất hơi nước của nguyên vật liệu trên đỉnh tháp như thếNHdư và cacbamat trong hỗn hợp bị phân giải trong pha lỏng. Nói chung ápsuất thao tác tăng thì hiệu suất chuyển hoá tăng. Nhưng áp suất thao tác khôngthể tăng vô hạn, bởi suất sau khi đã tăng tới mức nhất định nếu lại tăng tiếp thìhiệu suất chuyển hoá tăng không đáng kể. Mặt khác khi tăng áp suất thì tiêu haođộng lực cũng tăng lên và yêu cấu kết cấu so với tháp tổng hợp cũng cao. Vìvậy việc lựa chọn áp suất thao tác được lấy theo áp suất cân đối của hỗn hợp ởđỉnh tháp làm chuẩn và cao hơn 20 % tức là 196 ÷ 200 at2. 2 Nhiệt độ : Nhiệt độ tháp tổng hợp tăng cao, thì vận tốc phản ứng tổng hợp tăng, hằng số cânbằng của phản ứng của cacbamat thoát nước lớn, hiệu suất chuyển hoá tăng. Nhưng khi thành phần nguyên vật liệu đưa cố định và thắt chặt thì nhiệt độ cũng tăng lên đếnmột nhất định cho hiệu suất chuyển hoá tối đa sau đó sự chuyện hoá lại giảmxuống. Điều hầu hết là khi nhiệt độ tăng thì vận tốc ăn mòn lớp lót bên trongtháp tổng hợp cũng tăng, sự ảnh hưởng tác động của nhiệt độ đến vận tốc ăn mòn vật liệulà rất rõ rang, khi vượt quá nhiệt độ nào đó vận tốc ăn mòn của lớp lót sẽ tăngnhanh. Sự lựa chọn nhiệt độ của tháp tổng hộp là lấy năng lực chịu ăn mòn củavật liệu làm tác nhân chính ngoài vận tốc phản ứng để xem xét. Vì vậy chúng tachọn nhiệt độ khoảng chừng 188 ÷ 190C. 2.3. Tỷ lệ NH : COXét về kim chỉ nan trong điều kiện kèm theo nhất định thì tỷ suất NH : COlớn thì hiệu suấtchuyển hoá cao và lượng Urê tạo ra cũng cao. Nếu tỷ suất NH : COlớn quá làmcho thời hạn vật tư dừng lại trong tháp ruát ngắn sẽ dẫn đến hiệu suất chuyểnhoá giảm đi, còn áp suất cân đối của dung dịch trong tháp sẽ tăng cao khiNH : COlớn quá làm cho mạng lưới hệ thống tịch thu cồng kềnh. Việc lựa chọn tỷ lệNH : COcòn phải tính đến sự cân đối nhiệt ở nhiệt độ tốt nhất của tháp tổng14Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urêhợp. Thực tế sản xuất người ta thường chọn tỷ suất NH / CO = 4 ÷ 5, khi có nhiềulượng NHdư sẽ sớm xuất dịch lỏng và giảm năng lực tạo Biure. 2.4. Tỷ lệ HO : COViệc tăng tỷ suất HO : COsẽ có tính năng không tốt so với phản ứng tổng hợpUrê, xét về cân đối hoá học thì có lợi cho phản ứng loại nước khỏi cacbamatđể tạo thành Urê, và lại có lợi cho việc thuỷ phân Urê. Nếu nhiệt độ của tháptổng hợp ở 188C thì tỷ suất HO : COcứ tăng lên 0,1 thì hiệu suất chuyển hoá sẽgiảm đi 1 %, như vậy làm cho chất chưa phản ứng tăng lên, dẫn đến tỷ suất đótrong nguyên vật liệu đưa vào tăng cao, hiệu suất chuyển hoá càng giảm. Tỷ lệ đótrong nguyên vật liệu đưa vào được quyết định hành động bởi lượng nước dung dịch cacbamatđưa vào, và thường lấy tỷ suất HO : CO = 0,6 ÷ 0,8. PHẦN IIICƠ SỞ HOÁ LÝ TỔNG HỢP URÊ TỪ AMONIAC LỎNG VÀ KHÍCACBONICTổng hợp Urê từ khí COvà NHlỏng được triển khai qua hai quy trình tiến độ nốitiếp nhau : - Tác dụng của COvà NH - Chưng cất loại sản phẩm tổng hợp và chế biến dung dịch Urê thành sảnphẩm. Khi tổng hợp Urê những phản ứng thuận nghịch xảy ra tiếp nối nhau, tiên phong thuđược amoni cacbamat2NH + CO  NHCOONH + 38 kcalSau đó, amoni cacbamat giải phóng nước và chuyển thành UrêNHCOONH  ( NHCO + HO – 6,8 kcalQuá trình thực thi với sự tạo thành của hai pha : 15 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê - Pha khí gồm : NH, COvà hơi nước. - Pha lỏng gồm : những muối chảy lỏng của amoni cacbamat, Urê và nướcUrê chỉ bền vững và kiên cố trong dung dịch nước ở nhiệt độ nhỏ hơn 80C, khi caohơn nhiệt độ này Urê sẽ bị hydrat hóa và chuyển thành amoni cacbamat ( NHCO + HO  NHCOONH – QTrong dung dịch loãng thì amoni cacbamat phần đông bị chuyển hoàn toànthành cacbonat. Nhiệt độ nóng chảy của cacbamat nguyên chất là 152155C. Khi xuất hiện những muối cacbonat thì nhiệt độ nóng chảy của cacbamat giảmHình 1. Giản đồ tan của hệ HO – NHCOONH6020806040201521000100140 ( C ) NHCOONH ( % KL ) Amonicacbamat ( NH4 ) 2CO3. 2NH4 HCO3AmonicabonatUrê được tạo thành chỉ trong pha lỏng, do tại amoni cacbamat rắn khi đunnóng giải phóng nước rất chậm. Hình 2. Giản đồ trạng thái của hệ Urê – amoni cacbamat – amoniac16Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê30405060708090 1020304050609090 80 70 40 30 20 1011912080100 ( NH ) CONHNHCOONHTrên đó số lượng giới hạn trường kết tinh ( NHCO, NHCOONHvà NH. Đồngthời khu vực phân lớp, trong đó gồm hai chất lỏng ba cấu tử, điểm thành phầncủa những chất lỏng ấy trên giao điểm của đường đẳng nhiệt, tương ứng với đườngcong số lượng giới hạn khu phân lớp. Giản đồ chia làm 3 trường kết tỉnh được giới hạnbởi những đường EC, ED, EA. Các điểm trên đường cong số lượng giới hạn giữa những trườngkết tinh, trình diễn thành phần dung dịch bão hòa của hai muối tương ứng. ĐiểmE màn biểu diễn thành phần dung dịch bão hòa của 3 muối. Với quy trình tổng hợpUrê khu vực có muối cacbamat chảy lỏng là quan trọng nhất. Điểm M ở trêngiản đồ ứng với 34 % ( NHCO và 66 % NHCOONHvới nhiệt độ nóng chảycủa hỗn hợp là 120C, nếu thêm NHlỏng vào hỗn hợp thì thành phần của nó sẽbiến đổi theo đường MZ, khi đó tỷ số giữa hai cấu tử ( NHCO : NHCOONHlà không đổi, còn lượng NHtăng sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của cacbamat, làm tăng vùng lỏng của amoni cacbamat. Độ tan của amoni cacbamat trong NHlà không đáng kể. Nhưng khi xuất hiện Urê thì độ tan của nó tăng khá nhanh, điềuđó cũng có ý nghĩa quan trọng trong quy trình tổng hợp Urê. Như vậy, việc tănglượng ammoniac cho quy trình tổng hợp Urê sẽ thôi thúc sự chảy lỏng củacacbamat amon, nghĩa là tăng lượng pha lỏng và do đó hiệu suất tổng hợp sẽtăng. 1. Cân bằng phản ứng tổng hợp Urê17Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêTheo cơ sở trên, phản ứng tổng hợp Urê được triển khai trong pha lỏng vớihợp chất trung gian là amoni cacbamat. Phản ứng giải phóng nước của amonicacbamat ( tiến trình II của quy trình ) là chậm nhất, quyết định hành động vận tốc toàn bộquá trìnhNHCOONH  ( NHCO + HO – QHằng số cân đối của phản ứng : K = ] [ ] [ ] ) [ ( 42222COONHNHOH xCONHGiả sử bắt đầu có 1 mol NHCOONHKhi cân đối có x mol Cacbamat được chuyển hoá thành Urê, thì tại thờiđiểm cân đối : NHCOONH1 - x ( mol ) ( NHCO x ( mol ) O x ( mol ) Tổng số mol : 1 + x ( mol ) Hằng số cân đối : + + Biểu thức tính hằng số cân đối chỉ đúng khi phản ứng triển khai đúng theohệ số tỷ lượng của phản ứng khởi đầu. Nghĩa là tỷ số mol NH / CO = 2. Còn khicó lượng dư Amoniac và H0 đưa vào thì công thức trên không còn tương thích. Nếu xét tổng quát quy trình : 2NH + CO  ( NHCO + HO + QHằng số cân đối : [ ] [ ] [ ] [ ] 222 ) ( NHCOxNHOHxCOK = Giả sử COđưa vào là 1 molNHđưa vào là a mol ( a ≥ 1 ) O đưa vào là b mol18Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêTại thời gian cân đối có x mol COđược chuyển hoá thành Urê khi đó thànhphần của những cấu tử : CO1 – x molNHa - 2 x mol ( NHCO x molO b + x molKhi đó hằng số cân đối được tính : xbaxbxbaxaxbabxxba − + + − + + − + + − + + Công thức này tương thích cho điều kiện kèm theo thực nghiệm, khi thực thi ở điềukiện nhiệt độ ≤ 190C và nó đúng trong trường hợp dư Amoniac không lớn lắmkhi tăng lượng dư ammoniac thí sự chênh lệch trong thực tiễn sẽ tăng lên. 2. Động học quy trình tổng hợp UrêNhư trên đã trình diễn, quy trình tạo Urê từ NHlỏng và khí COgồm 2 giaiđoạn : - Giai đoạn 1 : phản ứng tạo amoni cacbamat2NH + CO  NHCOONH + Q. ( 1 ) - Giai đoạn 2 : phân hủy amoni cacbamat tạo UrêNHCOONH  NHCONH + Q. ( 2 ) Qua nghiên cứu và điều tra người ta nhận thấy quá trình 2 là tiến trình quyết định hành động tốcđộ phản ứng. Gọi klà hằng số của phản ứng thuận của ( 2 ) và klà hằng số vận tốc phảnứng nghịch của ( 2 ). Phương trình vận tốc của phản ứng ( 2 ) : 19 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê1 2 ( ) dxk a x k xdt = × − − × Trong đó a – nồng độ amoni cacbamat ban đầux – nồng độ amoni cacbamat sau phản ứngt – thời hạn phản ứngLượng dư NHtrong hỗn hợp phản ứng sẽ công dụng với lượng nước sinh ra, nên vận tốc phản ứng nghịch sẽ giảm và hiệu suất tạo thành Urê sẽ tăng. Do đó, phương trình vận tốc phản ứng là : 1 2 ( ) k a x k x xδτ = × − − × × với xlà thông số hoạt tính của HO. 3. Các yếu tố ảnh hưởng tác động đến quy trình tổng hợp. 3.1. Ảnh hưởng của áp suất : Trong quy trình tổng hợp Urê áp suất không phải là một biến số độc lập mà nóphụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần nguyên vật liệu khởi đầu đưa vào thápAmoni cacbamat có áp suất hơi cao, do đó mà tổng hợp Urê phải được thựchiện dưới áp suất lớn P = 200300 atm. Nếu thấp hơn áp suất cân đối khôngnhững làm NHthoát ra làm Amoniac dư trong pha lỏng giảm thấp đồng thời cókhả năng làm cho cacbamat amon bị phân giải từ đó làm giảm hiệu suất chuyểnhoá COHình 3 : Áp suất hơi cân đối trên Urê chảy lỏng, thu được khi quan hệ theotỷ lệ NH : CO = 220 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê100 150 200 250100200300400500 ( C ) ( atm ) Áp suất hơi trên Urê chảy lỏng phụ thuộc vào không chỉ vào nhiệt độ chảy lỏng, mà còn cả quan hệ giữa cấu tử NHvà COtrong hỗn hợp đầu. Nó sẽ tăng độtbiến khi tăng hàm lượng COtrong hỗn hợp khởi đầu vượt qua giám sát lýthuyết. Còn khi dư NHkhông dẫn đến việc tăng áp suất mạnh như vậy. Tốc độ tạo thành amoni cacbamat tăng lên gần như tỷ suất với bình phươngcủa áp suất. Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ không cao việc tạo thành amonicacbamat triển khai rất chậm, còn ở 100 atm và 150C thì phản ứng xảy ra tứcthời. Mặt khác theo phương trình tổng quát tổng hợp Urê : 2NH + CO  ( NHCO + HO + QĐây là phản ứng toả nhiệt giảm thể tích nên theo nguyên tắc chuyển dịchcân bằng thì khi áp suất tăng thì phản ứng xảy ra theo chiều thuận tạo thành Urênhư vậy hiệu suất chuyển hoá sẽ tăng. Để bảo vệ cho quy trình tổng hợp Urê thì áp suất trong tháp phải lớn hơnáp suất cân đối trên mặt phẳng Amoni Cacbamat chảy lỏng. Áp suất của AmoniCacbamat chảy lỏng nhờ vào vào nhiệt độ : t ( C ) 77,6 98,5 114,5 130,2 152 183 197 hơi ( atm ) 2,98 8,42 18,7 38,4 83,3 150,4 259,921 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêTuy nhiên áp suất không hề tăng vô hạn vì khi đo sản xuất thiết bị sẽ tốnkém nên thường chọn áp suất tổng hợp là 200 at3. 2. Ảnh hưởng của nhiệt độMặc dù Urê được tạo thành từ amoni cacbamat chảy lỏng, nhưng quá trìnhấy lại được triển khai ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chảy lỏng của amonicacbamat sạch, do tại tùy theo việc đun nóng amoni cacbamat sẽ giải phóngnước và tạo thành Urê. Chính lượng nước đó sẽ làm hạ thấp nhiệt độ nóng chảycủa amoni cacbamat. Nhiệt độ nóng chảy của amoni cacbamat cũng giảm rấtnhanh khi xuất hiện Urê. Mặt khác dưới công dụng của nước một bộ phận cacbamat cũng chuyểnthành amoni cacbonat và sau đó tạo thành Bi cacbonat, những chất đó cũng làmhạ thấp nhiệt độ chảy lỏng của amoni cacbamat. Hình 4 : Giản đồ chảy lỏng của hệ NHCOONH – ( NHCO20 40 60 80 10015214012011010098132 ( NH ) CO ( C ) Trên giản đồ thấy nhiệt độ nóng chảy của NHCOONHbị giảm rất nhanhkhi xuất hiện ( NHCO. Hỗn hợp eutectic gồm 51 % NHCOONHvà 49 % ( NHCO bị chảy lỏng ở 98C. 22 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêKhi triển khai phản ứng ở nhiệt độ thấp thì vận tốc phản ứng xảy ra chậmhơn, động lực của phản ứng giảm. Để bảo vệ cho quy trình tổng hợp thì phảiluôn giữ nhiệt độ của khối phản ứng lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của amonicacbamat. Do vậy khi tổng hợp Urê ở nhiệt độ từ 180200C để bảo vệ hiệusuất phản ứng, cân đối và động lực quy trình mà không tác động ảnh hưởng đến ăn mònthiết bị. 3.3. Ảnh hưởng của độ chứa đầyĐộ chứa đầy là lượng nguyên vật liệu chứa trong một đơn vị chức năng thể tích thiết bị ( g / cm ( g / cm ) trong đó - lượng nguyên vật liệu chứa trong tháp ( g ) v – thể tích thiết bị phản ứng ( cmHình 55010 0,5100300500 ( g / m ) ( Kg / cm ) T T TĐộ chứa đầy lớn thì hiệu suất chuyển hóa Urê cao ( không kể lượng NHdưnhiều hay ít ). Độ chứa đầy lớn thì áp suất cân đối cũng lớn theo. Khităng thìthành phần thể tích của những cấu tử trong pha lỏng sẽ tăng, do đó sẽ thôi thúc phảnứng tạo thành Urê. 3.4. Quan hệ giữa thời hạn đun nóng và nhiệt độ với vận tốc tạo thànhUrê, hiệu suất Urê : 23 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất UrêSự nhờ vào hiệu suất Urê vào thời hạn khử amoni cacbamat ở những nhiệtđộ khác nhau, được chỉ ra ở hình 6.20 40 60 20,10,20,30,40,50,6140145155160180200 Tốc độ tạo thành Urê và hiệu suất Urê càng cao khi nhiệt độ càng lớn. Caohơn 180C những đường cong hiệu suất đi qua cực lớn, nghĩa là lê dài thời gianđun nóng hỗn hợp phản ứng thì mức độ chuyển cacbamat thành Urê bị giảm. Điều đó được lý giải do những phản ứng phụ thực thi can đảm và mạnh mẽ. Ngoài ratrên 200C việc ăn mòn thiết bị triển khai can đảm và mạnh mẽ. 3.5. Ảnh hưởng của nước sinh ra trong quy trình tổng hợpNước tạo thành ở lúc mở màn quy trình sẽ làm tăng mức độ chuyển hóaamoni cacbamat thành Urê chính bới nó tạo điều kiện kèm theo cho sự Open pha lỏng. Nhưng tủy theo mức độ tích luỹ nước mà phản ứng bị chậm lại. Cân bằng đượcxác lập thì việc tăng lượng nước về sau sẽ tác động ảnh hưởng ngược lại quy trình. Hình 7 : 24 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê ( HiÖu suÊt Ure % ) 444036322824200 0,20,40,6 0,81 1,2 Lượng nước sinh thành được công dụng với lượng amoniac dư và tạo thànhNHOH và do đó cân đối bị phá vỡ và việc tạo thành Urê liên tục xảy ra. Tuyvậy, do việc tạo thành NHOH nên tỷ suất NH / COgiảm và hiệu suất cân bằnggiảm. Một nguyên do nữa là do một phần amon cacbamat công dụng với nướctạo loại sản phẩm phụ amoni cacbonat và Bi-cacbonat. 3.6. Ảnh hưởng của COđến hiệu suất UrêLượng COdư phần đông không tác động ảnh hưởng đến hiệu suất Urê, nhưng nồngđộ của nó trong khí bắt đầu lại có ý nghĩa rất lớn. Nồng độ càng cao thì mức độchuyển hóa càng lớn. ( % ) 60504030280210140 ( atm ) 25

Source: https://laodongdongnai.vn
Category: Doanh Nghiệp