Quy trình công nghệ nhà máy đạm phú mỹ

MỞ ĐẦU
Urê là một hợp chất được tổng hợp trong các quá trình biến đổi hóa học. Là loại
phân bón quan trọng kích thích sinh trưởng, giúp cây phát triển nhanh được sử dụng
phổ biến trong nông nghiệp, đặc biệt là ở nước ta một nước có nền nông nghiệp rất
phát triển.
Hiện nay nước ta đã có nhiều nhà máy sản xuất phân urê. Nhà máy Đạm Phú Mỹ sử
dụng nguồn nguyên liệu là khí tự nhiên hiện nay đang đứng đầu nước ta về sản xuất
phân đạm urê với công suất 80.0000 tấn/năm và đã hoạt động được hơn 10 năm cung
cấp nguồn phân bón quan trọng cho đất nước.
Tính cấp thiết của đề tài:
Đối với đồ án nghiên cứu và mô phỏng này, quá trình mô phỏng công nghệ được
xem là rất quan trọng đối với một quy trình sản xuất đang hoạt động, đặc biệt là nhà
máy Đạm Phú Mỹ. Mô phỏng quy trình công nghệ giúp ta có được một sơ đồ tổng thể
về công nghệ của nhà máy với các thông số tương ứng với quá trình hoạt động của
một nhà máy thật sự, để từ đó ta có thể thử nghiệm các thông số mới và tối ưu hóa để
nâng cao sản lượng sản phẩm cũng như có thể tiết kiệm các chi phí về nguyên liệu,
năng lượng, thiết bị… đem lại lợi nhuận rất lớn cho nhà máy.
Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu công nghệ của nhà máy Đạm Phú Mỹ.
- Mô phỏng lại quy trình công nghệ sản suất urê của nhà máy Đạm Phú Mỹ với
các cụm công nghệ sau: Cụm cao áp, cụm trung áp, cụm thấp áp, cụm cô đặc
chân không
- So sánh và đánh giá kết quả mô phỏng với số liệu từ Đạm Phú Mỹ
- Khảo sát và tối ưu hóa công nghệ sản xuất Urê của nhà máy Đạm Phú Mỹ
- Tính toán thiết kế thiết bị tổng hợp Urê.
Phương pháp:
Nghiên cứu lý thuyết:
- Thu tập các tài liệu về: Sản xuất urê, thông tin về nhà máy Đạm Phú Mỹ, hướng
dẫn mô phỏng và tính toán công nghệ, thiết bị.
- Sử dụng các thông tin trên mạng Internet và sách báo về các vấn đề liên quan
đến thiết kế, mô phỏng quy trình sản xuất urê.

- Tham khảo các báo cáo về các đề tài tương tự đã được thực hiện trước đây.
Nghiên cứu thực tế:
- Thực tập trực tiếp tại nhà máy Đạm Phú Mỹ để có được cái nhìn thực tế về công
nghệ tại nhà máy để tìm hiểu về quy trình công nghệ và thiết bị thực tế.
ii
- Gặp gỡ và tiếp thu kinh nghiệm trực tiếp từ các cán bộ, kỹ sư tại nhà máy và các
thầy, cô trong Khoa Hóa học và Công Nghệ Thực Phẩm trường ĐH Bà Rịa –
Vũng Tàu
Sử dụng công cụ hỗ trợ:
- Sử dụng phần mềm mô phỏng Pro/II (phiên bảng 8.1) để mô phỏng công nghệ;
- Sử dụng các thuật toán của phần mềm Pro/II để tiến hành khảo sát và tối ưu hóa
công nghệ;
- Sử dụng các phần mềm chuyên dụng: autocad 2007, word và excel 2007 và các
phần mềm hổ trợ khác để khảo sát, xây dựng sơ đồ công nghệ để và hoàn thành
báo cáo.
Đối tượng nghiên cứu:
- Quy trình công nghệ nhà máy Đạm Phú Mỹ : Các thiết bị và các dòng công nghệ
đang được sử dụng tại nhà máy;
- Phần mềm mô phỏng Pro/II.
Ý nghĩa khoa học của đồ án:
- Tài liệu nghiên cứu về công nghệ nhà máy Đạm Phú Mỹ, về bản chất và các quá
trình tổng hợp urê;
- Tài liệu tham khảo cho các vấn đề nghiên cứu, mô phỏng và tối ưu hóa quy trình
công nghệ đối với nhà máy Đạm Phú Mỹ nói riêng và các quy trình công nghệ
thuộc lĩnh vực hóa học và dầu khí nói chung.
- Tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu khoa học về công nghệ và mô
phỏng sau này.
iii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể ban giám hiệu trường Đại học Bà

rịa – Vũng Tàu, khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện tốt nhất cho
tôi trong suốt thời gian học 4 năm Đại học có được môi trường học tập và làm việc tốt
nhất. Cám ơn bố mẹ đã dành tình cảm cùng những điều kiện tốt nhất cho tôi trên con
đường Đại Học này, và cũng gửi lời cảm ơn đến những người bạn, những người luôn
bên cạnh sẵn sàng giúp đỡ và hỗ trợ tôi mỗi khi tôi gặp khó khăn.
Trong suốt thời gian bốn tháng thực hiện đồ án này, tôi luôn nhận được sự giúp
đỡ tận tình của quí thầy cô trong Khoa Hóa và Công nghệ thực phẩm; đặc biệt là
CBHD - Th.S Tống Thị Minh Thu cùng sự hỗ trợ của các cán bộ kỹ thuật Tổng Công
ty Phân bón và Hóa chất Dầu khí. Để giờ đây, với tất cả sự giúp nhận được từ các thầy,
cô ; các anh, chị - tôi đã hoàn thành được Đồ Án Tốt Nghiệp với đề tài :
“ Nghiên cứu và mô phỏng quy trình sản suất urê của nhà máy Đạm Phú Mỹ
bằng phần mềm Pro/II ”.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến CBHD - Th.S Tống Thị Minh Thu cùng quí thầy cô
trong Khoa Hóa và Công Nghệ Thực Phẩm và các cán bộ kỹ thuật của Tổng Công ty
Phân bón và Hóa chất Dầu khí lời cảm ơn chân thành. Xin chân thành cảm ơn! Kính
chúc quí thầy cô sức khỏe!
Tuy nhiên, trong giới hạn thời gian cho phép, Đồ án được hoàn thành chắc chắn
vẫn còn những thiếu xót nhất định. Rất mong nhận được sự trao đổi và đóng góp ý
kiến của quý thầy cô và độc giả để tôi có có điều kiện hoàn thiện hơn.
Vũng Tàu, Ngày 12 tháng 07 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Hồ Tiến Nam
iv
MỤC LỤC
1.1.2.Tổng quan về các xưởng sản xuất của nhà máy 2
Bảng 1.1. Thông tin về nguồn khí nguyên liệu 3
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của NH3 4
Bảng 1.3. Bảng tính chất vật lý của CO2 5
1.2.1.Các phương pháp tổng hợp Ure 8
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT URE CỦA NHÀ MÁY

ĐẠM PHÚ MỸ 21
Bảng 2.1. Danh sách ký hiệu thiết bị trong sơ đồ công nghệ 22
Bảng 2.2. Sự thay đổi các thông số vận hành máy nén CO2 27
Bảng 2.3. Sự thay đổi thông số vận hành của cụm cao áp 31
Bảng 2.4. Sự thay đổi các thông số vận hành của cụm phân hủy trung áp 37
Bảng 2.5. Sự thay đổi các thông số vận hành của thiết bị phân hủy thấp áp 39
Bảng 2.6. Sự thay đổi thông số vận hành của thiết bị cô đặc chân không 42
2.4.Kết luận về công nghệ sản xuất urê của nhà máy Đạm Phú Mỹ 44
Sau khi nghiên cứu về quy trình công nghệ của nhà máy Đạm Phú Mỹ, ta nhận
thấy rằng, đây là một quy trình sản xuất urê rất hiện đại đạt công suất 2200
tấn/ngày, được áp dụng phương pháp tuần hoàn dung dịch cacbamat, với hệ
thống xử lý và thu hồi hiện đại đã tận dụng và hồi lưu gần như hoàn toàn lượng
nguyên liệu dư. 44
Quy trình công nghệ này đã hoạt động được 10 năm và cần phải được tối ưu hóa
để nâng cao thêm năng suất… bước đầu tiên của quá trình tối ưu hóa công nghệ
là dựa vào các phần mềm mô phỏng như Pro/II, để tiến hành mô phỏng lại quy
trình, từ sơ đồ quy trinh mô phỏng thành công ta sẽ tiến hành khảo sát và tối ưu
hóa. Bước mô phỏng quy trình và tối ưu hóa sẽ được thực hiện trong đồ án này ở
các chương kế tiếp 44
CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ 45
Bảng 3.1. Thành phần nguyên liệu đầu vào xưởng Urê của nhà máy Đạm Phú
Mỹ 47
Bảng 3.2. Thông số cài đặt mô phỏng của các dòng công nghệ đầu vào 51
Bảng 3.3. Các dòng hồi lưu cần được khai báo 52
Bảng 3.4. Cách cài đặt hệ số Phương trình phản ứng 60
Bảng 3.5. Các thông số yêu cầu cho 2 dòng nguyên liệu đầu vào tháp tổng hợp
Urê 61
v
Bảng 3.6. Cách cài đặt Controler cho nguyên liệu đầu vào R-01 63
Bảng 4.1.So sánh kết quả sản phẩm mô phỏng thiết bị R-01 với số liệu nhà máy

76
Bảng 4.2. So sánh kết quả mô phỏng thiết bị R-01 sau khi chuyển đổi cacbamat
với số liệu nhà máy 76
Bảng 4.3. So sánh kết quả dòng sản phẩm mô phỏng thiết bị E-01 với số liệu từ
nhà máy 77
Bảng 4.4. So sánh kết quả dòng sản phẩm mô phỏng thiết bị V-02 với số liệu từ
nhà máy 78
Bảng 4.5. So sánh kết quả dòng sản phẩm mô phỏng thiết bị V-03 với số liệu từ
nhà máy 78
Bảng 4.6. So Sánh kết quả lượng nguyên liệu CO2 đầu vào trong mô phỏng và
số liệu từ nhà máy 79
Bảng 4.7. Kết quả lượng nguyên liệu NH3 đầu vào được sử dụng 79
Bảng 4.8. So sánh kết quả dòng sản phẩm mô phỏng thiết bị V-04 với số liệu từ
nhà máy 80
Bảng 4.9. Kết quả dòng sản phẩm mô phỏng của thiết bị V-14 81
Bảng 4.10. Kết quả dòng sản phẩm mô phỏng của thiết bị V-15 81
Bảng 4.11. Ảnh hưởng của công suất reboiler thiết bị V-02 đến lượng nguyên
liệu NH3 được sử dụng 82
Bảng 4.12. Ảnh hưởng của công suất reboiler vào lượng NH3 trong sản phẩm
đáy thiết bị V-03 84
Bảng 4.13. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc của thiết bị F-2 đến lượng nguyên
liệu NH3 sử dụng 85
Bảng 4.14. So sánh kết quả trước và sau khi tối ưu quy trình với số liệu từ nhà
máy 86
Bảng 5.1.Cân bằng phân tử 90
Bảng 5.2. Tỷ lệ lưu lượng khối và một phần khối lượng cho các chất phản ứng
và sản phẩm 91
Bảng 5.4.Thống kê và so sánh các thông số cơ bản của thiết bị tổng hợp Ure 94
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96
vi

DANH MỤC BẢNG
vii
DANH MỤC HÌNH
viii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
TGĐ : Tổng giám đốc
ĐTXD : Đầu tư xây dựng
IUPAC : International Union of Pure and Applied
Chemistry (Liên hiệp Hóa học Thuần túy và Ứng dụng Quốc tế)
UAP : Urê amoni photphat
UAS : Urê amoni sunfat
UAN : Urê amoni nitrat
MDEA : Methyl diethanol amin
amca : amonium cacbamat
RXC 1 : Phản ứng 1
RXC 2 : Phản ứng 2
RXC 3 : Phản ứng 3
RST 1 : Nhóm phản ứng 1
RST 2 : Nhóm phản ứng 2
STT : Số thứ tự
ix
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013
Trường ĐHBRVT
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhà máy Đạm Phú Mỹ [9]
1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển
Nhà máy Đạm Phú Mỹ trực thuộc Công ty Cổ Phần Phân Đạm và Hóa chất Dầu
Khí, đươc đặt tại khu công nghiệp phú Mỹ 1, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa Vũng
Tàu. Nhà máy có vốn đầu tư 450 triệu USD, có diện tích 63ha, là nhà máy đạm đầu
tiên trong cả nước, được xây dựng theo dây chuyền công nghệ tiên tiến, đồng thời

cũng là một trong những nhà máy hóa chất có dây chuyền công nghệ và tự động hóa
tân tiến nhất ở nước ta hiện nay. Cung cấp 40% nhu cầu urê trong nước, Đạm Phú Mỹ
có vai trò rất lớn trong việc tự chủ nguồn phân bón trong một nước nông nghiệp như
Viêt Nam. Trước đây, số ngoại tệ phải bỏ ra để nhập phân bón từ nước ngoài về là rất
lớn trong khi nguyên liệu để sản xuất phân Urê là nguồn khí đồng hành (Associated
Gas) đang phải đốt bỏ ở các giàn khoan và nguồn khí thiên nhiên (Natural Gas) được
phát hiện rất nhiều ở phía Nam. Sản phẩm của nhà máy Đạm Phú Mỹ hiện đang được
tiêu thụ rộng trên khắp thị trường trong nước, đặc biêt vụ lúa đồng bằng sông Cửu
Long.
Nhà máy được khởi công xây dựng theo hợp đồng (Chìa khóa trao tay) giữa Tổng
công ty Dầu Khí Việt Nam và tổ hợp nhà thầu Technip/Samsung, hợp đồng chuyển
giao công nghệ sản xuất Amoniac với Haldoe Topsoe ( công suất 1.350 tấn/ngày ) và
công nghệ sản xuất Urê Snamprogeti (công suất 2.200 tấn/ngày).
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 1 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013
Trường ĐHBRVT
Hình 1.1. Sơ đồ tổ chức nhân sự của nhà máy Đạm Phú Mỹ
1.1.2. Tổng quan về các xưởng sản xuất của nhà máy
1.1.2.1. Phân xưởng tổng hợp Amoniac
a. Nguyên liệu
Có chức năng tổng hợp Amoniac và CO
2
từ khí thiên nhiên từ mỏ Bạch Hổ và
không khí.
- Các thông tin về nguồn khí:
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 2 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
Hội đồng thành viên
Tổng Giám Đốc
Phó TGĐ
kỹ thuật

Giám Đốc
nhà máy
Phó TGĐ
đầu tư
Phó TGĐ
thương mại
Phòn
g kỹ
thuật
Phòng
kt kế
hoạch
Nhà
máy
Đạm
Các
chi
nhánh
Phòng
tổ
chức
nhân
sự
Phòng
tài
chính
kế
toán
Ban
quản lý

ĐTXD
Phòng
xuất
nhập
khẩu
Phòng
thương
mại
vật
liệu
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013
Trường ĐHBRVT
Bảng 1.1. Thông tin về nguồn khí nguyên liệu
Chỉ tiêu kỹ thuật AMF GPP
Nhiệt độ (
o
C)
18÷36 18÷36
Ap suất (barg)
25.0 (tối đa 40)
24.5 (tối đa 39.2)
25.0 (tối đa 40)
24.5 (tối đa 39.2)
Điểm sương (
o
C) ở 25 barg -1 -42
Khối lượng phân tử (g/mol) 20.65 18.68
Giá trị nhiệt tổng (MJ/Nm
3
) 46.92 42.85

Thành phần AMF GPP
1 C
1
78.9813 83.3113
2 C
2
12.2025 14.5668
3 C
3
5.7575 1.5965
4 i-C
4
1.0255 0.1077
5 n-C
4
1.2753 0.1091
6 i-C
5
0.1818 0.0127
7 n-C
5
0.1678 0.012
8 C
6
0.09 0.0051
9 N
2
0.3034 0.2647
10 CO
2

0.0149 0.0141
11 H
2
O - -
Nguồn khí này thực chất đã được xử lí và làm sạch tại nhà máy chế biên khí Dinh
Cố, nên khi được xử dụng tại Đạm Phú Mỹ, dòng nguyên liệu chỉ cần các bước xử lí
đơn giản là có thể xử dụng được.
b. Các công đoạn của xưởng
Sau khi tổng hợp, Amoniac và CO
2
sẽ được chuyển sang phân xưởng urê.
Phân xưởng tổng hợp Amoniac bao gồm các công đoạn:
- Khử hợp chất lưu huỳnh bằng phương pháp khô
- Giai đoạn Reforming
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 3 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013
Trường ĐHBRVT
- Chuyển hoá khí CO trong khí nguyên liệu thành CO
2
- Giai đoạn hấp thụ CO
2
bằng dùng dung dịch MDEA:
- Giai đoạn metan hoá
- Giai đoạn tổng hợp NH
3
- Thu hồi NH
3
c. Sản phẩm
Tổng quan về Amoniac (NH
3

):
- Tính chất vật lý
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của NH
3
Các đại lượng vật lý Giá trị
Khối lượng phân tử, (kg/kmol) 17,0312
Nhiệt độ sôi ở 101,34 kpa (
0
C) - 3375
Khối lượng riêng ở 0
0
C, 1 at (kg/m
3
) 0,77
Tỷ trọng chất lỏng ở 0
0
C; 101,3 kpa (g/cm
3
) 0,6383
Tỷ trọng chất khí ở 0
0
C; 101,3 kpa (g/cm
3
) 0,638
Điểm nóng chảy (
0
C) - 77,71
Entanpi sinh chuẩn ở 25
0
C, (j/kmol) 192,731

- Tính chất hóa học
Tính bazơ yếu: Trên nguyên tử nitơ của amoniac có cặp electron tự do nên amoniac có
tính bazơ và có thể xảy ra phản ứng hóa học:
Tác dụng với nước: khi tan trong nước, một phần nhỏ các phân tử amoniac kết hợp
với ion H
+
của nước, tạo thành ion amoni (NH
4
+
) và ion hidroxit (OH
-
).
NH
3
+ H
+
↔ NH
4
+
Tác dụng với axit: amoniac dễ dàng kết hợp với axit tạo thành muối amoni.
NH
3
+ HCl ↔ NH
4
Cl
Tác dụng với dung dịch muối:
AL
3+
+ NH
3

+ 3H
2
O → AL(OH)
3
↓ + 3NH
4
+
2NH
3
+ 2KMnO
4
→ 2KOH +2MnO
2
+2H
2
O +N
2
Khả năng tạo phức: Dung dịch amoniac có khả năng hoà tan hidroxit hay muối ít tan
của một số kim loại, tạo thành các dung dịch phức chất.
Cu(OH)
2
+ 4NH
3
→ [Cu(NH
3
)
4
]
2+
+ 2OH

AgCl + 2NH
3
→ [Ag(NH
3
)
2
]
+
+ Cl
-
Tính khử
Tác dụng với oxi:
NH
3
+ 3O
2

 →←
C
0
900
2N
2
+ 6H
2
O.
Nếu có xúc tác phân huỷ ngay ở 300
0
C:
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 4 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm

Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013
Trường ĐHBRVT
4NH
3
+ 5O
2

 →←
xtC
o
,300
4NO + 6H
2
O.
Tác dụng với oxit kim loại:
NH
3
+3CuO → 3Cu + N
2
+ 3H
2
O
Một trong những vấn đề quan trọng chính của ngành công nghiệp sản xuất NH
3
là
phản ứng của nó với CO
2
tạo ra cacbamat amôn NH
2
CO

2
NH
4
2NH
3
+ CO
2
→ NH
2
CO
2
NH
4
Sau đó phân giải thành urê và nước:
NH
2
CO
2
NH
4
→ NH
2
CONH
2
+H
2
O
Tổng quan về CO
2
:

- Tính chất vật lý
Bảng 1.3. Bảng tính chất vật lý của CO
2
Danh pháp IUPAC Cacbon điôxít
Tên khác
Khí cacbonic
thán khí
anhiđrít cacbonic
băng khô (rắn)
Công thức phân tử CO
2
Phân tử gam 44,01 g/mol
Biểu hiện Chất khí không màu, không mùi
Tỷ trọng và pha
1,98 kg/m
3
ở 298 K
1,6 g/cm
3
(rắn)
Độ hòa tan trong nước 1,45 kg/m
3
Điểm nóng chảy -57 °C (216 K-áp lực)
Điểm sôi -78 °C (195 K-thăng hoa)
- Tính chất hóa học
CO
2
không cháy, không duy trì sự cháy. Là một oxit axit vì vậy nó sẽ có tính chất
của một oxit như : tác dụng với nước, bazơ, muối…
Tác dụng với H

2
O
Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định điôxít cacbon
CO
2
+ H
2
O H
2
CO
3
Tác dụng với oxit bazo và bazo
CO
2
tác dụng với bazo hay oxit bazo sẽ tạo thành muối
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 5 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013
Trường ĐHBRVT
CO
2
+ NaOH NaHCO
3
CO
2
+ 2NaOH Na
2
CO
3
+ H
2

O
Một trong những vấn đề quan trọng chính của ngành công nghiệp sản xuất chính
của nhà máy Đạm Phú Mỹ là sử dụng CO
2
gây phản ứng với NH
3
để tạo urê :
2NH
3
+ CO
2
NH
2
CO
2
NH
4
Sau đó phân giải thành urê và nước:
NH
2
CO
2
NH
4
 NH
2
CONH
2
+ H
2

O
1.1.2.2. Phân xưởng tổng hợp Urê.
a. Nguyên liệu
Quá trình tổng hợp urê sử dụng 2 nguyên liệu chính là NH
3
và CO
2
. Cả 2 nguyên
liệu trên là sản phẩm của xưởng tổng hợp ammoniac, NH
3
và CO
2
nhận được có độ
tinh khiết các nên sẽ được đưa trực tiếp vào quy trình tổng hợp urê.
b. Các công đoạn trong xưởng
Có chức năng tổng hợp Amoniac và CO
2
thành dung dịch urê. Dung dịch urê sau
khi đã được cô đặc trong chân không sẽ đươc đưa đi tạo hạt. Quá trình tạo hạt được
thực hiện bằng phương pháp đối lưu tự nhiên trong tháp tạo hạt cao 105m. Phân xưởng
urê có thể đạt công suất tối đa 2.385 tấn/ngày.
Phân xưởng bao gồm các công đoạn sau:
- Công đoạn nén CO
2
- Tổng hợp urê và thu hồi CO
2
ở áp suất cao
- Công đoạn tinh chế urê và thu hồi NH
3
ở áp suất trung bình và áp suất thấp

- Công đoạn cô đặc, tạo hạt
- Xử lý nước thải
- Đóng gói sản phẩm
c. Sản phẩm
Tổng quan về sản phẩm Urea ((NH
2
)
2
CO )
- Tính chất vật lý
Là Một hợp chất hữu cơ, tinh thể có dạng hình trụ kim màu trắng.
Công thức phân tử chính là (NH
2
)
2
CO
Trọng lượng phân tử: 60,06 g
Hàm lượng đạm nitơ: gần bằng 46%
Khối lượng riêng: Ở 25
o
C là 1.33 kg/dm
3
, Ở 0
o
C là 1.338 kg/dm
3
Nhiệt độ nóng chảy ở 1 at: 132.7
o
C
Nhiệt dung ở 25

o
C : 22.26 cal/mol.
o
C
Khối lượng riêng Urea lỏng ở 132.7
o
C : 1.227 kg/l
Nhiệt hoà tan trong: Nước là 57.8 cal/g, Rượu methanol :50.2 cal/g
- Tính chất hóa học
Khi hòa tan trong nước, dung dịch Urea có tính kiềm yếu.
Khi tác dụng với một số acid nó tạo thành các muối liên kết.
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 6 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013
Trường ĐHBRVT
Ví dụ: (NH
2
)
2
CO + H
2
SO
4
= (NH
2
)
2
CO.H
2
SO
4

Urea dễ bị phân giải ở nhiệt độ cao, ở 120 -130
o
C tốc độ phân giải Urea chậm,
đến 160
o
C thì phân giải thành Ammonium Cianat:
(NH
2
)
2
CO  NH
4
OCN
Phản ứng tạo Biuret xảy ra theo phản ứng sau:
Đầu tiên Urea phân giải thành NH
3
và acid Cianic. Sau đó acid này phản ứng
với Urea để tạo thành Biuret:
(NH
2
)
2
CO  NH
3
+ HCON
HCON + (NH
2
)
2
CO = NH

2
-CO-NH-CO-NH
2
Dung dịch Urea trong nước ở nhiệt độ <80
o
C khá bền vững. Nhưng ở Nhiệt độ
>90
o
C có thể xảy ra các phản ứng phân giải:
(NH
2
)
2
CO + H
2
O  NH
4
COONH
2
NH
4
COONH
2
= 2NH
3
+ CO
2
Nói chung quá trình thủy phân Urea phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ dung
dịch. Hằng số tốc độ phản ứng thủy phân Urea rất nhỏ ở nhiệt độ thấp.
Lưu ý: Khi Urea bị phân hủy nhiệt có thể tạo ra Biuret hoặc Acid Cianic. Hai chất

này rất có hại cho cây trồng (Biuret) và đặc biệt ăn mòn mạnh thiết bị ở nhiệt độ cao.
- Ứng dụng:
Trong công nghiêp
Làm phân bón, kích thích sinh trưởng, giúp cây phát triển mạnh, thích hợp với
ruộng nước, rau xanh, lúa,…Urê cứng có chứa 0,8% – 2,0% biuret ban đầu bón cho
đất dưới dạnh nitơ. Các loại dịch urê loãng hàm lượng biuret thấp ( tối đa khoảng 0,3%
biuret ) được bón cho cây trồng dưới dạng phân bón lá.
Trộn lẫn với các chất phụ gia khác urê sẽ được dung nhiều trong nhiều loại phân
bón rắn có các dạng công thức khác nhau như photphat amon urê (UAP); sunphat
amon urê (UAS) và urê photphat ( urê + acid phosphoric ), các dung dịch urê thuộc
nồng độ nitrat amon urê (UAN) (80% - 85%) có hàm lượng nitơ cao nhưng điểm kết
tinh lại thấp phù hợp cho việc vận chuyển lưu thong phân phối bằng hệ thống ống dẫn
hay phun bón trực tiếp.
Là chất bổ sung vào thức ăn cho động vật, nó cung cấp một nguồn đạm cố định
tương đối rẻ tiền để giúp cho sự sinh trưởng.
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 7 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013
Trường ĐHBRVT
Urê được dung để sản xuất lisin, một axit amino được dung thông dụng trong ngành
chăn nuôi gia cầm.
Các loại nhựa urê được polyme hóa từng phần để dùng cho ngành công nghiệp có
tác dụng làm phân bố đều các thành phần ép của các chất sợi.
Nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa urê – formaldehyde. Urê cùng
với Amoniac phân hủy ở nhiệt độ và áp suất cao để sản xuất các loại nhựa melamin.
Được dùng trong một số ngành sản xuất thuốc trừ sâu.
Là một thành phần của một số dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước hoa.
Thành phần hoạt hóa để xử lý khới thải từ động cơ diessel.
Trong y học
Urê được trong các sản phẩm da liễu cục bộ để giúp cho quá trình tái hidrat hóa của
da.

Do urê được sản xuất và bài tiết khỏi cơ thể với một tốc độ gần như không đổi,
nồng độ urê cao 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 cũng có thể tăng trong một số rối loạn máu ác tính (ví dụ như bệnh
bạch cầu và Kahler ).
Nồng độ cao của urê ( uremia) có thể sinh ra các rối loạn thần kinh ( bệnh não ).
Thời gian dài bị uremia có thể làm đổi màu sang màu xám.
1.1.2.3. Phân xưởng phụ trợ
Có chức năng cung cấp nước làm lạnh, nước khử khoáng, nước sinh hoạt, cung cấp
khí điều khiển, nitơ và xử lý nước thải cho toàn nhà máy, có nồi hơi nhiệt thừa, nồi hơi
phụ trợ và một tubin khí phát điện công suất 21Mwh, có bồn chứa Amoniac 35.000 m
3
tương đương 20.000 tấn, dùng để chứa Amoniac dư và cấp Amoniac cho phân xưởng
urê khi công đoạn tổng hợp của xưởng Amoniac ngừng máy.
1.2. Các phương pháp và công nghệ sản xuất Ure trong công nghiệp [6]
1.2.1. Các phương pháp tổng hợp Ure
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 8 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
Tổng
hợp Ure
Phân giải
Carbamate
Cô đặc
Tạo hạt
NH
3
Hoặc
Hồi lưu
Tổng hợp
khác
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013

Trường ĐHBRVT
Hình 1.2. Sơ đồ khối các bước tổng hợp ure cơ bản
Hiện nay có các phương pháp tổng hợp Ure cơ bản sau:
- Phương pháp không tuần hoàn (One though);
- Phương pháp tuần hoàn một phần (Partial Process);
- Phương pháp tuần hoàn hoàn toàn (Total Process).
1.2.1.1. Phương pháp không tuần hoàn (One though)
a. Cở sở phương pháp
Trong phương pháp này dòng Off-Gas tiếp tục đi vào thiết bị sản xuất Nitric acid,
Ammonium Nitrate, dung dịch Ammonia và những dẫn xuất khác của Nitrogen.
b. Sơ đồ công nghệ
Chi tiết quy trình sản xuất Urea theo phương pháp không tuần hoàn Oppay (Đức)
với công suất 1,7 T/h được trình bày trong hình 1.2.
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 9 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
Nén CO
2
CO
2
Ure
Hoặc
Hồi lưu
Tổng hợp
khác
Đồ án tốt nghiệp Đại học-khóa 2009 – 2013 Trường ĐHBRVT
1. Bơm NH
3
lỏng
2. Máy nén CO
2
3. Trao đổi nhiệt

4. Tháp tổng hợp
5. Nồi phản ứng
6. Máy nén tuần hoàn khí nóng
7. Phân ly
8. Thùng cao vị
9. Thiết bị bay hơi
10. Thiết bị sấy kiểu mù
11. Lọc
12. Thùng trung gian
Hình 1.3. Phương pháp không tuần hoàn
Ngành Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Trang 10 Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm
5 5 5 5 5
12
5
8 8
10
9 9
11
4
3
2
1
6
7
c. Thuyết minh quy trình
Khí CO
2
qua máy nén (2) được nén đến áp suất 150 at và được gia nhiệt đến 200
o
C,

tại đây oxy được giải phóng trên xúc tác đồng-niken. Tiếp theo CO
2
được ngưng tụ
trộn với NH
3
, sau đó được nén đến 100 at nhờ bơm NH
3
(1). Nhiệt tạo thành nhờ
Ammonium Carbamate được lấy đi khỏi thiết bị (4) để tạo hơi nước, cứ trên 1 tấn Urea
sản xuất được 0,8 tấn hơi nước. Còn dung dịch sau phản ứng được đưa tới hai giai
đoạn phân giải Carbamate.
Sau gần 2h ở 160
o
C – 190
o
C và tại áp suất 100 at thì gần 50% Ammonium
Carbamate được chuyển hóa thành Urea. Dịch Urea nóng chảy sau giai đoạn 2 đi về
thùng chứa (11) và đi gia công đóng gói dạng bột có hàm ẩm 0,7%. Khí ở các thiết bị
phân li phân giải cũng như dịch ngưng tụ tạo thành trong quá trình cô đặc được chuyển
vào tháp rồi trung hòa H
2
SO
4
để điều chế dung dịch sulfate Amon.
Nhược điểm:
- Quy trình này có một bất tiện chính là: nhà máy sản xuất Urea phải gắn liền với
nhà máy tạo sản phẩm phụ dẫn suất của Nitrogen, và điều này có ý nghĩa là tính kinh
tế của sản phẩm Urea phụ thuộc vào nhu cầu của sản phẩm phụ.
- Loại quy trình này có hiệu suất sử dụng nguyên liệu thấp (30-35% NH
3

, 45-
50% CO
2
).
1.2.1.2. Phương pháp tuần hoàn một phần (Partial Process)
a. Cơ sở phương pháp
Quá trình tuần hoàn một phần NH
3
theo đề xuất của nhà bác học Miller đã 1 thời
được nhiều nước ứng dụng. Phương pháp này đã làm cơ sở cho dây chuyền tiến bộ
nhất là tuần hoàn toàn bộ. Phương pháp tuần hoàn một phần khác với phương pháp
không tuần hoàn là tiết lưu giảm áp hai cấp. Dung dịch tiết lưu cấp độ một ở áp suất
18-35 at, NH
3
khí được làm lạnh ngưng tụ bằng nước. Áp suất ở đoạn 2 gần bằng với
áp suất khí quyển.
b. Sơ đồ công nghệ
1. Tháp tổng hợp
2. Bộ gia nhiệt
3. Phân giải đoạn 1
4. Làm lạnh
5. Ejector
6. Tháp rửa
7. Bơm dung dịch
muối amon
8. Gia nhiệt phân giải 2
9. Phân giải 2
Hình 1.4. Phương pháp bán tuần hoàn
c. Thuyết minh quy trình
Quá trình sản xuất Urea bằng phương pháp tuần hoàn một phần NH

3
có kèm theo
dây chuyền sản xuất Nitrate Amon được vận hành rộng rãi trong sản xuất hóa chất của
Liên Xô (cũ). Khí CO
2
và NH
3
lỏng được nén tới áp suất 200 at, ở khoảng không trong
thành tháp và cốc trong ruột của tháp được làm bằng thép X18H12M3T. Điều kiện
trong tháp thao tác ở 185-200
o
C, L=3-4 m, P=200 at. NH
3
tuần hoàn trở lại hệ thống
qua bơm NH
3
tuần hoàn. Dung dịch từ hệ trung áp giảm xuống thấp áp (1,5-3 at) được
tiếp tục chưng cất phần dịch Urea có nồng độ cao và đi bốc hơi cô đặc dung để sản
xuất sản phẩm khác.
Ưu điểm: Tiêu hao nguyên liệu cho một đơn vị sản phẩm thấp hơn phương pháp
không tuần hoàn.
Nhược điểm: Đầu tư thiết bị lớn hơn, hiệu suất chuyển hóa thấp hơn.
1
3
8
6
5
4
2 9
7

2
1
4
NH
3
+ CO
2
NH
3
CO
2
Urê
5
3
Một ví dụ cho phương pháp bán tuần hoàn được trình bày trong hình 1.3
1.2.1.3. Phương pháp tuần hoàn hoàn toàn (Total Process)
Theo phương pháp này NH
3
và CO
2
chưa phản ứng tạo thành Urea được thu hồi và
được tận dụng hoàn toàn để tuần hoàn trở lại tháp tổng hợp Urea. Những nhà máy sử
dụng phương pháp này thì có hiệu quả rất cao vì không có sản phẩm phụ (by-product).
a) Tuần hoàn dưới dạng hỗn hợp khí
1. Thiết bị làm lạnh
2. Tháp tổng hợp
3. Van tiết lưu
4. Thiết bị chưng
5. Máy nén
Hình 1.5. Tuần hoàn dưới dạng khí nóng

Hỗn hợp khí Off-Gas được nén lại và được cho quay lại bình phản ứng.
Khí CO
2
và NH
3
được nâng lên áp suất 180 – 200 at đưa vào tháp tổng hợp (2), ở
đây NH
3
và CO
2
tác dụng vơi nhau tạo thành hỗn hợp dd gồm Urea và Ammonium
Carbamate có nhiệt độ 180 – 190
o
C. Dung dịch từ tháp tổng hợp qua van tiết lưu (3)
giảm xuống còn 3-1,5 đông thời nhiệt độ giảm xuống còn 120
o
C đi vào thiết bị chưng
cất (4), ở đây lợi dụng hơi nước để gia nhiệt cho dung dịch Ammonium Carbamate
được phân giải thành NH
3
và CO
2
cộng với lượng NH
3
dư và hơi nước bốc lên ở phần
đỉnh rồi vào máy nén hỗn hợp khí (5). Tại đây hỗn hợp khí được nâng áp lên bằng áp
suất làm việc của thấp tổng hợp rồi đi qua thiết bị làm lạnh (1), nhiệt độ hỗn hợp khí
giảm xuống và đi vào tháp tổng hợp.
Phần dung dịch Urea được tách ra đưa đi gia công: cô đặc, tạo hạt, hoặc kết tinh sản
phẩm.

Ưu điểm:
Phương pháp này hầu như tuần hoàn được toàn bộ, tận dụng được hầu hết nguyên
liệu vào. Nhưng nó không được dung rộng rãi trong công nghiệp do những khuyết
điểm sau:
Khuyết điểm:
- Nén hỗn hợp khí ở nhiệt độ cao, mà khi nén khí NH
3
và CO
2
có nhiệt độ cao
gây cho thiết bị ăn mòn ghê gớm.
- Áp suất cao dẫn đến NH
3
và CO
2
kết hợp lại tạo thành Ammonium Carbamate ở
dạng rắn gâp tắc đường ống, thiết bị dẫn đến hỏng máy nén.
Vì vậy muốn tránh những hiện tượng trên phải đặc biệt chú ý đến nhiệt độ và áp
suất.
b) Phương pháp tuần hoàn dung dịch Carbamate
Hỗn hợp Off-Gas được ngưng tụ và dung dịch Carbamate được tuần hoàn. Tuần
hoàn dưới dạng dung dịch Carbamate cũng có nhiều phương pháp khác nhau. Nó khác
nhau ở các thông số công nghệ như: áp suất, nhiệt độ, tỷ lệ NH
3
/CO
2
và H
2
O/CO
2

trong hỗn hợp ban đầu đặc biệt là cấu trúc thiết bị.
4 6 7 8 10
5
3
2
9
11
1
1- Máy nén
2- Bơm NH
3
lỏng
3- Ngưng tụ NH
3
4- Tháp tổng hợp
5- Phân ly
6,7- Tháp phân giải amonium
carbamate
8- tháp hấp thu muối amon
9- bơm
10- tháp hấp thu để tăng nồng độ
dung dịch
11- bơm Amonium carbamate
Hình1.6. Quy trình sản xuất Urea của hãng Miller
- Phương pháp Miller: (hình 1.4)
Quá trình tổng hợp Urea theo phương pháp Miller từ NH
3
và CO
2
với lượng dư

NH
3
. Phần lớn NH
3
được tuần hoàn lại sau khi phân giải lần thứ nhất, phần NH
3
và
CO
2
được hấp thụ bằng nước. Còn từ phân giải đoạn hai vào chu trình ở dạng muối
Amon.
Trong trường hợp này tỉ lệ các tác chất: L = 7,5; W = 0,7; lượng dư NH
3
lớn và
thực hiện trong các điều áp suất lớn P= 400 at và nhiệt độ 200
o
C sẽ có hiệu suất
chuyển hóa Ammonium Carbamate thành Urea đạt tới 70%.
1.2.2. Các công nghệ sản xuất Urea điển hình [6]
1.2.2.1. Quy trình sản xuất Urea của hãng Montekachin
1- Máy nén
2- Bơm NH
3
lỏng
3- Ngưng tụ NH
3
4- Tháp tổng hợp
5,6- Phân giải I
7- Hấp thụ khí trơ I
8- Phân giải đoạn II

9- van giảm áp
10- Hấp thụ
11- thiết bị bay hơi
12- máy ve viên
13- Làm lạnh tay quay
14- Tháp kết tinh
15- Lọc nhanh
16- làm lạnh
17- bơm ly tâm
18- lọc ly tâm
19- thùng sấy tay quay
Hình 1.7. Quy trình sản xuất Urea của hãng Montekachin
- Phương pháp hãng Montekachin: (hình 1.5)
Lưu trình hãng Montekachin dựa trên công trình nghiên cứu của Phau nó khác với
quá trình Miller ở chổ có hàm lượng nước thấp trong dung dịch muối Amon tuần hoàn.
Khí CO
2
, NH
3
và dung dịch Amon được đưa vào tháp (4), trong đó được duy trì áp
suất 200 at và nhiệt độ 180 – 190
o
C. Tỉ lệ cửa vào tháp L=5, W-0,54.
Dung dịch được tiêt lưu về phân giải I (5) với áp suất là 20-45 at nhiệt độ 135
o
C,
pha khí được ngưng tụ ở thiết bị phân giải (5) và (6). Dung dịch hấp thụ đoạn II được
bơm vào hấp thụ đoạn I (7). Muối Amon đậm đặc được quay về tháp nhờ bơm (3).
Dung dịch được đi kết tinh, gia công thành sản phẩm, hoặc được bay hơi đến nồng độ
đậm đặc 99% và đi gia công tạo viên. NH

3
được thoát ra khi tiết lưu từ 3-6 at xuống áp
suất thường đi vào tháp hấp thụ 10, tuần hoàn làm lạnh bằng nước (16), một phần
được trích đi quay về thấp hấp thụ (8).
4
1
2
3
5
6
8
7
8
9
10
14
5
6
11
12
13
18
19
17
16
Ưu điểm của phương pháp Montekachin so với phương pháp Miller là:
o NH
3
chỉ ngưng tụ cùng với sự tạo thành Ammonium Carbamate, như vậy cho
phép giảm lượng thiết bị và tạo điều kiện tuần hoàn tối đa ở công đoạn và phân giải

chưng cất.
o Dung dịch muối Amon tuần hoàn được hình thành ở áp suất 20-45 at như vậy
cho phép giảm lượng nước vào tháp tổng hợp. Do đó sẽ tạo điều kiện nâng cao hiệu
suất chuyển hóa ở nhiệt độ vá áp suất thấp, có ý nghĩa thực tiễn chống được ăn mòn
thiết bị.
1.2.2.2. Tập đoàn Allied Chemical
a) Giới thiệu
Trong hầu hết quy trình sản xuất Urea thương mại, NH
3
và CO
2
được hoàn lưu
dưới dạng Ammonium Carbamate mà chất này có độ ăn mòn cao và khó xử lí. Allied
Chemical Corporation đã phát triển 1 kỹ thuật mà loại trừ sự hoàn lưu Carbamate, vì
thế tránh được sự bất lợi của việc phải dung chất mang và chất pha loãng để hoàn lưu
về bình phản ứng.
Trong quá trình của Allied Chemical Corporation, cả hai NH
3
và CO
2
được thu hồi
như là những thành phần sạch. Sau đó, CO
2
được hấp thự chọn lọc bởi
Monoethanolamine khỏi Off-gas của thiết bị Carbamate Decomposer, điều này tạo ra
NH
3
sạch và được cho hoàn lưu về thiết bị phản ứng Reactor.
Những đặc trưng khác của quy trình là:
- Trên thực tế loại bỏ được sự ăn mòn do thiết bị phản ứng được bọc 1 lớp

zirconium
- Nhiệt độ phản ứng cao từ 380 – 450
o
F so sánh với các quy trình khác có nhiệt
độ giới hạn trên là 375
o
F. Tại nhiệt độ cao hơn, tốc độ chuyển hóa của CO
2
thành Urea
đạt từ 80-85% so với phương pháp tuần hoàn Carbamate là 65-70%.
- Tập đoàn Allied Chemical sử dụng quy trình của T.O. Wentworth, là 1 quy
trình có thể sử dụng 3 phương pháp không tuần hoàn, bán tuần hoàn hoặc tuần hoàn
hoàn toàn.
b) Sơ đồ quy trình