CÔNG NGHỆ TỔNG hợp các hợp CHẤT vô cơ cơ bản

CÔNG NGHỆ TỔNG
1
2
3
4

SO3 (300C)
SO3

HỢP CÁC HỢP
Oleum
H2SO4 (98,3%)
H2SO4 (96%)

SO3 dư
H2SO4 (98,3%)
H2SO4 (96%)

CHẤT VÔ CƠ

Khí thải SO2, SO3
H2so4 70%

CƠ BẢN

HOANGKIMECI.COM.VN

H2O


CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP CÁC HỢP

CHẤT VÔ CƠ CƠ BẢN
II.1. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NH3

-

-

II.1.1. Đặc điểm chung
Là khí không màu, mùi hắc  hại đến sức khỏe người và động vật
Khi hòa tan trong nước  tỏa nhiệt mạnh
Nhẹ hơn không khí  dễ bay hơi
Ngưng tụ (dễ dàng) ở 200C, 8 at
II.1.2. Quy trình công nghệ
Gồm 3 công đoạn chính:
Khí hóa than
Tinh chế khí
Tổng hợp NH3

1. Khí hóa than (chế tạo khí nguyên liệu - khí than)
-

Khí hóa than là quá trình có sự tham gia hơi nước ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao nhất
định  tạo hỗn hợp khí than
Thành phần chính của khí than: H2, CO
Các dạng nhiên liệu:
+ Dạng khí: khí đồng hành trong quá trình khai thác dầu mỏ (98 – 96% là CH 4), khí
thiên nhiên


1

CH 4 + O 2 → CO + 2H 2
2
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2

+ Dạng lỏng: dầu, các sản phẩm phụ đi từ quá trình chưng cất dầu mỏ, chủ yếu là các
hợp chất hữu cơ

C n H 2m + nH 2 O → nCO + (m + n)H 2
C n H 2m +

n
O 2 → nCO + mH 2
2

+ Dạng rắn: than đá, chi phí rẻ nhất
Chia 2 giai đoạn:
Giai đoạn thổi gió cấp nhiệt: tăng nhiệt độ cho lò tạo khí để tiếp tục các giai đoạn sau.
C + O 2 + 3,76 N 2 = CO 2 + 3,76 N 2 + Q
C + 0,5 O 2 + 3,76 N 2 = CO + 1,88 N 2 + Q

Giai đoạn chế khí nhiên liệu: cho hơi nước vào để khí hóa than
H 2 O + C = CO + H 2 - Q
2H 2 O + C = CO 2 + 2H 2 - Q

 hỗn hợp khí tạo ra gồm: N2, H2, CO, CO2, H2S
-

CO, H2S gây ngộ độc xúc tác trong phản ứng tổng hợp NH3  cần tinh chế khí

2. Tinh chế khí nguyên liệu (làm sạch khí tạp chất)

-

-

Là quá trình tách cấu tử khí ô nhiễm ra khỏi hỗn hợp khí.
Trong tạp chất có lẫn các hợp chất của S (do trong than có sẵn S), chủ yếu là H 2S. Vì vậy
phảI làm sạch H2S. NgoàI ra còn phảI tách CO và CO2.
a) Làm sạch các hợp chất S (H2S)
H2S làm ngộ độc vĩnh viễn xúc tác  dù lượng vi lượng cũng không được phép.
Căn cứ vào hàm lượng H2S (lớn, nhỏ), độ làm sạch cần thiết  chọn phương pháp cần
tách triệt để và giảm nồng độ. Sử dụng các phương pháp hóa học:
+ Phương pháp khô:Chất hấp phụ là chất rắn (như than hoạt tính, hydroxit sắt,
silicagen…) để tách H2S  hiệu quả không cao, chủ yếu dùng khi lượng bé
+ Phương pháp ướt: Dùng dung dịch để hấp thụ H 2S. Thực chất là quá trình chuyển từ
khí  lỏng. Phải lựa chọn dung dịch hấp thụ.
 Tùy theo hàm lượng S, 2 phương pháp ướt: phương pháp tuần hoàn hoặc phương
pháp oxi hóa.
#) Phương pháp tuần hoàn: H2S sau hấp thụ sẽ được tái sinh bằng nhả ra dưới dạng
khí, không được thu hồi mà thải bỏ. Nếu hàm lượng cao  không khuyến khích dùng
phương pháp này vì gây ô nhiễm môi trường không khí. Với hàm lượng thấp  có
thể được sử dụng do nồng độ thải ra nhỏ hơn ngưỡng.
#) Phương pháp oxi hóa: H2S sau hấp thụ được tái sinh và được oxy hóa tạo S nguyên
tố (bọt nổi lên trên)  có thể thu hồi làm nguyên liệu cho 1 số quá trình sản xuất (như
sản xuất H2SO4...): giá trị sử dụng lại lớn. Dung dịch hấp thụ là ADA (Tanin). Phản
ứng đặc trưng:
 Quá trình hấp thụ:
; CHT: chất hấp thụ
H 2 S + (CHT) = (CHT)H 2 S

 Quá trình tái sinh:
1
(CHT)H 2 S + O 2 = (CHT) + H 2 O + S ↓
2

Phương pháp này dùng với H2S hàm lượng cao.


-

b) Tách CO và CO2
*/ Với CO:
Với CO hàm lượng lớn: dùng hơi nước, có sự tham gia của xúc tác
xt Fe 3O 4
CO + H 2 O 

→ CO 2 + H 2 + Q

 quá trình này tạo ra thêm nguyên liệu H2.
Phương pháp này hiệu quả không cao nếu hàm lượng CO nhỏ.
-

Với CO hàm lượng nhỏ: 2 phương pháp
+ Phản ứng hydro hóa:
CO + 3H 2 = CH 4 + H 2 O

Nhược điểm: làm tăng lượng khí trơ CH4 trong hỗn hợp nguyên liệu  không tốt, thực tế
ít sử dụng.
+ Dùng chất hấp thụ là các muối phức của đồng, [Cu(NH3)2]+, cụ thể là axetat đồng.

-

*/ Với CO2:
Hàm lượng lớn do trong quá trình đốt cháy than CO tiếp tục bị oxy hóa:
CO + O 2 → CO 2

-

CO2 (chiếm 40 – 50% hỗn hợp khí)  làm ngộ độc xúc tác  cần phải tách và tái sinh
để sử dụng trong việc tổng hợp Urê. Có 3 phương pháp:
+ Phương pháp 1: chủ yếu dùng phương pháp hấp thụ (nồng độ CO2 >> nồng độ CO).
CO2 mang tính axit  nên chọn dung dịch hấp thụ mang tính bazơ.
+ Phương pháp 2: làm lạnh thâm độ (làm lạnh đến nhiệt độ đóng rắn của CO2, sau đó
phân ly, tách), phương pháp này đắt nên ít dùng.
+ Phương pháp 3: tiến hành phản ứng hydro hóa, phương pháp này tạo ra khí trơ nên
không được dùng nhiều.


xt
CO 2 + 4H 2 →
CH 4 + 2H 2 O

-

*/ Như vậy:
Tách H2S (1)
Tách CO (2)  tách H2S 1 lần nữa
Tách CO2 (3)
 hỗn hợp gồm 2 thành phần chính H2, N2  tổng hợp NH3

3. Tổng hợp NH3
-

NH3 được sản xuất trên phản ứng:
0

0

= 500 C
N 2 + H 2 xt,
t 

→ 2NH 3 + 25,4 kcal

-

Phản ứng xảy ra trong ngăn phản ứng  dùng tháp làm lạnh nhiều ngăn.

H2O

1
2
3
4
6
5

NH3 lỏng
NH3 lỏng

NH3 lỏng
H2, N2, NH3 còn lại
H2, N2

Hình II.1. Sơ đồ quy trình sản xuất NH3
1. Tháp tổng hợp

4. Hệ thống làm lạnh

2. Hệ thống trao đổi nhiệt

5. Buồng thu NH3

3. Buổng thu NH3 lỏng

6. Tháp làm lạnh sâu


-

-

Hỗn hợp N2 và H2 được cho vào tháp tổng hợp (1) đến nhiệt độ phản ứng 400 - 500 0C qua
các tầng xúc tác  phản ứng xảy ra, hiệu suất 30 – 40%  hỗn hợp khí N2, H2, NH3. Ở
nhiệt độ cao như vậy, nên sau khi ra khỏi (1), NH3 được làm lạnh ở thiết bị (2) và được
tách ra 1 phần ngưng tụ ở thiết bị (3). Sau (4), hỗn hợp khí H 2, N2, NH3 được làm lạnh
sâu để tách nốt NH3 lỏng. Quá trình này lặp lại cho đến khi còn 20 – 30% H2, N2 thì thải
hỗn hợp ra môi trường.
Khí thải chủ yếu là khí trơ (Ar, CH4), hàm lượng CH4 khá cao  có thể dùng làm khí đốt.

4. Quá trình sản xuất NH3 của nhà máy phân đạm Hà Bắc

4 phân xưởng: Tạo khí, Tinh chế, Tổng hợp NH3, Tổng hợp Urê

-

*/ Phân xưởng tạo khí nguyên liệu
Nguyên liệu: than đá
Chế khí
Lò đốt
Tận dụng nhiệt thừa
Tháp rửa
Két khí
Lọc điện
Ống khói
Bụi
Khói lò (CO2, CO, SO2, H2S)
Than
Khí than
Nước thải (CN-, phenol, SS, H2S)
Bùn
Nước thải
Bụi
Xỉ

Không khí
Hơi nuớc
Không khí
Nước
Nước

1
2
3
4


5

Hình II.2. Sơ đồ quy trình tạo khí nguyên liệu tại nhà máy phâm đạm Hà Bắc

-

Công đoạn 1: thổi gió cấp nhiệt (5 đợt: thổi lên lần 1, thổi xuống lần 2...)
Công đoạn 2: cấp oxy  tăng nhiệt độ than để phản ứng giai đoạn sau
Công đoạn 3: tận dụng nhiệt thừa  tạo hơi nước. Khí thổi sẽ qua ống khói, ra ngoài
Công đoạn 4: tại tháp rửa, rửa bụi than = phương pháp ướt (dùng H2O)
Tách cặn than, tránh tắc đường ống
Công đoạn 5: Sau đó thổi hơi nước  phản ứng tạo khí than (CO, H2 là chính)
Khi đốt than, điều kiện nhiệt độ rất cao  xả khí gây ô nhiễm môi trường
Nước thải chứa CN-, phenol, SS, H2S, oxít kim loại… có trong quá trình khí hóa than
Trong bụi than chứa tạp chất  phản ứng phụ  sinh ra khí (H2S)

-

*/ Phân xưởng tinh chế
Tách lần lượt H2S, CO, CO2 và H2S

-

Tinh chế H2S bằng dung dịch ADA

Tinh chế H2S bằng dung dịch MEA
Tinh chế CO2 bằng dung dịch MEA
Tái sinh dung dịch ADA
Tái sinh dung dịch MEA
Tái sinh dung dịch MEA
Chuyển hóa COCO2
Khí than ẩm
Khí đi rửa đồng (làm sạch CO vi lượng)
Khí đi rửa kiềm (tách CO2 vi lượng)
Không khí
S (sản phẩm)
Nước thải (S)
Khí thải (H2S)
Khí thải (CO2, H2S)
CO2 đi sản xuất Urê
Hình II.3. Sơ đồ quy trình tinh chế khí tại nhà máy phâm đạm Hà Bắc


-

-

-

Có quá trình tái sinh dung dịch hấp thụ:
+ MEA: Mono Etanol Amin
+ ADA: Antraquinon Disunfuric Acid
Quá trình tinh chế H2S: Sau khi nhả hấp thụ, tiến hành oxy hóa luôn H2S. Sau phản ứng
tái sinh có bọt  thu hồi bọt là S. S coi là sản phẩm để tái sử dụng. Nước rửa S sau tái
sinh là nước thải  xả thẳng ra môi trường, không qua xử lý.

Quá trình tách CO2: khí CO2 có hàm lượng rất cao  tách CO2 đi sản xuất Urê. Vẫn còn
lại hàm lượng CO vi lượng  tiến hành rửa đồng, sau đó rửa kiềm để tách CO2 vi lượng.
Khí chủ yếu thải ra từ công đoạn tái sinh  gây ô nhiễm môi trường.
*/ Phân xưởng tổng hợp NH3
Rửa đồng
Thùng chứa NH3 lỏng
Làm lạnh phân ly
Tổng hợp NH3
Rửa kiềm
Tái sinh d/dich đồng
Tháp rửa
Đi tổng hợp Urê
Khí nguyên liệu
D/dich đồng Acetat
D/dich NH3
Nước làm lạnh
N2, H2 tuần hoàn
Nước thải (NH3)
Khí thải (CH4, Ar, NH3, N2, H2)
Nước thải (NH3)
Nước NH3 Nước mềm
Cặn d/dịch đồng
Nước làm lạnh Nước ngưng
Khí thải (CO, H2, CO2, NH3
Hơi nuớc
1
2
3

Hình II.4. Sơ đồ quy trình tổng hợp NH3 tại nhà máy phâm đạm Hà Bắc
-

Phản ứng hấp thụ CO;
Cu(NH 3 ) 2 AC + CO + NH 3 = Cu(NH 3 ) 3 ACCO + Q

-

Phản ứng hấp thụ CO2
3NH 3 + CO 2 + H 2 O = (NH 4 ) 2 CO 3 + Q
CO 2 + H 2 O + (NH 4 ) 2 CO 3 = 2NH 4 HCO 3 + Q

-

Phản ứng hấp thụ H2S:
NH 4 OH + H 2 S = (NH 4 ) 2 S + H 2 O + Q
2Cu(NH 3 ) 2 AC + H 2 S = Cu 2 S + 2NH 4 AC + 2NH 3

-

Phản ứng tái sinh dung dịch đồng bằng gia nhiệt và giảm áp  khí tách ra và thu được
dung dịch đồng axêtat
Cu(NH 3 ) 3 ACCO = Cu(NH 3 ) 2 AC + CO ↑ + NH 3 ↑ - Q
(NH 4 ) 2 CO 3 = 2NH 3 ↑ + CO 2 ↑ + H 2 O - Q
NH 4 HCO 3 = NH 3 ↑ + CO 2 ↑ + H 2 O - Q
(NH 4 ) 2 S = NH 3 ↑ + H 2 S ↑ - Q

-

Quá trình rửa đồng để tách CO vi lượng, sau đó rửa kiềm để tách CO2 vi lượng.

Tổng hợp NH3 phảI có điều kiện áp suất, nhiệt độ khắc nghiệt  phải qua máy nén khí.
Máy nén sử dụng dầu  nước thải sẽ có dầu  phải quan tâm đến xử lý dầu.
II.1.3. Các dạng chất thải và hướng xử lý

1. Các dạng chất thải


-

-

-

-

*/Công đoạn tạo khí nguyên liệu
Khí thải từ công đoạn thổi gió: do S, C trong than  đốt cháy xảy ra phản ứng  tạo khí
CO, CO2, H2S, SO2...
Nước thải từ tháp rửa: chứa CN-, phenol, oxit kim loại, SS...
Chất thải rắn: xỉ than (ở lò chế khí), bùn (từ két khí sau 1 thời gian chứa khí)...
*/ Công đoạn tinh chế khí
Nước thải: nước rửa S, nước làm mát trao đổi nhiệt nước sạch nhưng ô nhiễm nhiệt
Khí thải:
+ Khí thải từ tái sinh dung dịch hấp thụ ADA: chứa hơi S;
+ Khí thải từ tái sinh dung dịch hấp thụ MEA: chứa H2S, CO2
*/ Công đoạn tổng hợp NH3
Khí thải:
+ Từ tái sinh dung dịch đồng: chứa CO, CO2, CH4...
+ Khí trơ: CH4, Ar, H2...
Nước thải:

+ Nước làm lạnh
+ Nước rửa kiềm (chứa NH3)
+ Nước rửa khí tái sinh dung dịch đồng (chứa NH3)

2. Hướng xử lý

Quan tâm đến cả 2 hướng: sản xuất sạch hơn và xử lý cuối đường ống
*/Sản xuất sạch hơn
a. Tác động vào công nghệ: không tạo chất thải hoặc ít chất thải  tiếp cận đầu nguồn
b. Tác động vào nguyên liệu, ví dụ:
2O5
SO 2 + O 2 V
→ SO 3

c. Sử dụng chất thải làm nguyên liệu công nghệ sản xuất khác.


-

-

Áp dụng:
Tại công đoạn chế tạo khí: chuyển quá trình khí hóa than từ gián đoạn sang quá trình liên
tục sẽ tốt hơn, giảm tạo bụi  có lợi cho môi trường
Sử dụng nhiên liệu (than) chất lượng cao, hàm lượng S thấp  giảm chất thải độc hại
Trong công đoạn tổng hợp NH3: sử dụng xúc tác có chất lượng cao (hoạt tính cao) 
tăng quá trình chuyển hóa và giảm lượng khí thảI phía sau.
Tận dụng Ar, CH4 trong công đoạn tổng hợp NH 3  tách CH4 để dùng làm khí đốt. Tuy
nhiên, để tách  cần 1 công nghệ khác  phức tạp. Khí H2 tách ra và cho tuần hoàn làm
khí nguyên liệu.

Nước làm mát, nước ngưng tụ  giải nhiệt và tuần hoàn vì nước này chỉ ô nhiễm nhiệt,
không bẩn.
*/Xử lý cuối đường ống
Dòng thải nằm rải rác, không tập trung và mỗi vị trí có thành phần khác nhau  phân
luồng dòng thải và xử lý riêng (ưu tiên hàm lượng khí nào lớn, gây hại tới môi trường thì
sẽ xử lý trước, khi chưa thể xử lý toàn bộ các khí)

-

-

-

-

a) Khí thải:
Khí thổi gió: thành phần chính là CO, CO2, H2S… trong quá trình đốt than.
+ Tập trung khử CO: tách triệt để hoặc chuyển thành CO 2 (không độc) bằng cách oxi
hóa bằng oxi không khí, đồng thời 1 phần H2S bị oxi hóa  chuyển thành SO2.
+ Xử lý H2S: bằng cách dùng các chất hấp phụ như than hoạt tính (rất rẻ), silicagen,
hydroxit sắt…
Xử lý khí trơ từ tổng hợp NH3:
+ Thu hồi CH4 để đốt, rửa bằng N2 lỏng. Bằng cách này còn tách được H2.
+ Sau khi tách CH4 ra`rồi  tuần hoàn dòng khí còn lại có H2 làm khí nguyên liệu.
Ở công đoạn tinh chế khí  lượng khí ra là không lớn, ở trong giới hạn cho phép 
không cần xử lý.
b) Nước thải:
Đối với CN-: là chất độc bảng A  chuyển thành dạng CNO- (xyanat) ít độc hơn

oxh
CN - →
CNO -

 có 2 phương pháp:
+ dùng chất oxi hóa mạnh là Ca(OCl)2
CN - + OCl- → CNO - + Cl -

2CNO- + 3OCl- + 2H + → 2CO 2 + N 2 + H 2 O + 3Cl -

+ dùng chất oxi hóa là Cl2 (pH = 10 – 11)
CN - + Cl 2 + 2OH - → CNO- + 2Cl - + H 2 O
2CNO- + 3Cl 2 + 4OH- → 2CO 2 + N 2 + 6Cl - + 2H 2 O

-

-

-

Đối với dòng thải chứa NH3 và phenol: phân ly tách NH3 dựa vào độ bay hơi. Ngoài ra,
có thể xử lý vi sinh, ví dụ: sử dụng tảo xử lý NH 3, dùng vi sinh vật xử lý phenol. Tuy
nhiên, khó khăn là ta phải khống chế được quá trình trong giới hạn nhất định. Nếu quá
giới hạn đó thì sẽ giết chết vi sinh vật.
Đối với dòng thải chứa SS: xử lý bằng phương pháp cơ học: lắng, lọc để tách cặn lơ lửng
dưới tác dụng của trọng lực, lực ly tâm...
c) Chất thải rắn:
Xỉ than: có thể tận dụng vào quá trình xây dựng: làm gạch, lấp đường.

II.2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN ĐẠM URÊ

-

-

-

II.2.1. Đặc điển chung
Phân đạm là các hợp chất chứa nitơ. Phân đạm NH4NO3, (NH4)2SO4 do ít urê nên khả
năng hấp thụ cũng như hòa tan là không cao. Phân đạm urê (có công thức hóa học NH 2 –
CO – NH2) được sử dụng rộng rãi.
Nitơ chiếm tỉ lệ cao: 46%, là cao nhất trong tổng số các loại phân đạm, dễ hòa tan trong
nước và được cây hấp thụ.
Là tinh thể không màu, nhiệt độ nóng chảy = 132,4 0C. Nếu quá nhiệt độ nóng chảy  urê
bị phân hủy
Không cháy nổ, không kết khối, dễ vận chuyển, dễ bảo quản
Phạm vi ứng dụng: chủ yếu trong nông nghiệp, làm nguyên liệu trong công nghệ sản xuất
nhựa, công nghiệp dược phẩm, sản xuất polime, sợi nhân tạo
II.2.2. Quy trình công nghệ
Nguyên liệu đầu vào là NH3 và CO2.

1. Bản chất của quá trình
-

Phản ứng xảy ra theo 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Tổng hợp Amoni Cacbamat
2NH 3 + CO 2 = NH 2 COONH4 + 159,1 kJ

+ Giai đoạn 2: Dehydrat hóa tạo thành Cacbamit (Urê)

NH 2 COONH4 = NH 2 CONH 2 + H 2 O - 258 kJ

-

Tốc độ của phản ứng 2 chậm hơn nhiều so với phản ứng 1  giai đoạn 2 quyết định
tốc độ của cả quá trình.
Lượng NH3 dư quyết định quá trình chuyển hóa
ở giai đoạn 1: phản ứng xảy ra nhanh hơn khi giảm áp suất, tăng nhiệt độ. Thường trong
phản ứng thì CO2 phản ứng hết, dư NH3.


-

-

ở giai đoạn 2: sản phẩm có nước  cần phải tách H2O ra để cân bằng không dịch chuyển
sang trái (giảm hiệu suất tổng hợp). Hiệu suất quá trình phụ thuộc nhiệt độ và thời gian
phản ứng.
+ ở 1400C (>132,40C): hiệu suất quá trình dehydrat hóa tăng dần, nhưng chưa có hiện
tượng phân hủy Urê.
+ > 1400C  quá trình phân hủy Urê tạo CO2, NH3
+ ở 1600C: hiệu suất phản ứng 2 đạt cực đại sau 2 giờ
+ở 1850C: sau 0,5 – 1h  hiệu suất phản ứng đạt cực đại.
+ > 1850C: nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, sản phẩm sẽ phân hủy nhiều  hiệu quả tổng
hợp giảm
 luôn khống chế nhiệt độ phản ứng từ 180 - 1900C.
Ngoài ra, NH3/CO2 cũng theo 1 tỷ lệ nhất định. Nếu NH 3:CO2:H20 = 4,5:1,0:0,5 thì hiệu
suất chuyển hóa là 62% (hiệu suất cực đại). (Về lý thuyết: nồng độ NH 3 tăng  hiệu suất
chuyển hóa tăng, nhưng thực tế thì không vượt qua được  tồn tại tỷ lệ tối ưu)

2. Quy trình công nghệ

NH3
Tổng hợp cacbamat
Trộn đều khí
Chưng cất lần 1
Chưng cất lần 2
Bay hơi chân không
Phun tạo hạt
Đóng gói SP
CO2
Nén
Rửa khí
Ngưng tụ hơi nước
Ng/tụ NH3
Hấp thụ CO2, NH3
Phân hủy
H2O (hấp thụ CO2)
hạt > 3 mm
NH3
Nước thải (không chứa NH3)


CO2, NH3
1
3
4
5
6
2

Pha khí
Pha khí

Hình II.5. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất Urê
(Nhà máy phân đạm Hà Bắc có thêm nhiều công nghệ nhỏ)
-

-

-

-

Tại thiết bị (3): sản phẩm phân hủy CO2, NH3 (thêm vào do quá trình phân hủy Urê) . Do
NH3 dư trong phản ứng  hiệu suất cao. Pha khí  rửa khí  tuần hoàn.
Tại thiết bị (5): nồng độ từ tháp tổng hợp 25%  bay hơi chân không tạo nồng độ Urê
cao, thông thường nhà máy dùng quá trình cô đặc.
Tại thiết bị (6): hạt Urê kích thước chưa tiêu chuẩn  tạo hạt có kích thước đồng đều
đúng tiêu chuẩn. Urê đi từ trên xuống, không khí đi từ dưới lên  xé Urê tạo thành hạt.
*/ Thuyết minh
Tại thiết bị (1), NH3 và CO2 được nén và trộn đều, sau đó đưa vào tháp tổng hợp (2) p =
200 at, t0 = 1850C. Sau thời gian 40 – 45 phút, hiệu suất chuyển hóa đạt ≈ 62%. Hỗn hợp
nóng chảy, thành phần 30 – 31% Urê, 21 – 22% NH 2COONH4, 33 – 34% NH3 dư, 16 –
17% H2O.
Hỗn hợp nóng chảy này được tháo ra và hạ áp suất đến p = 30 – 40 at để đưa qua tháp
chưng thứ nhất (3). Pha khí ra khỏi thiết bị (1) gồm: 75 – 76%NH 3, 21 – 22%CO2 (không
nhỏ), khoảng 3%H2O. Hỗn hợp này đi vào buồng rửa khí. Tại đây, một phần CO 2 và NH3
sẽ tác dụng với nhau và được giữ lại trong pha nước). Pha khí ra khỏi buồng rửa khí là
NH3 gần như nguyên chất, sẽ được tuần hoàn, pha nước được dẫn lại vào buồng trộn khí
ban đầu (1).

Dịch lỏng từ tháp chưng thứ nhất có 60 – 61%Urê, 4 – 5% Amoni cacbamat, 6 – 7%NH 3,
29 – 30%H2O đưa vào tháp chưng thứ 2 (4). Pha khí từ tháp chưng thứ 2 có thành phần


-

-

55 – 56%NH3, 24 – 25%CO2, 20 – 21%H2O đưa qua bộ phận ngưng tụ, dịch ngưng tụ
được dẫn trở lại tháp rửa khí.
Phần khí sau ngưng tụ được dẫn qua tháp hấp thụ (ở đây, CO 2 và NH3 được hấp thụ và
làm giàu tạo các muối amoni cacbamat NH2COONH4), sau đó nó được phân hủy tạo NH3
và CO2 và dẫn trở lại bộ phận ngưng tụ.
Dịch Urê từ tháp chưng thứ hai đưa qua bay hơi chân không hoặc cô đặc nhằm tăng hàm
lượng Urê tới 98 – 99%  tháp tạo hạt  rồi đưa đi đóng bao.

3. Quá trình tổng hợp Urê, nhà máy phân đạm Hà Bắc

CO2, NH3
Tổng hợp cacbamat
Chuẩn bị ng/liệu
Phân giải
Cô đặc
Tạo hạt
SP đi đóng bao
Hấp thụ
H2O (hấp thụ CO2)
Khí thải
(NH3, CO2)
Nước thải (chứa NH3)

5
1
3
2
4
Khí thải (NH3)
Nước thải (NH3)
Khí thải (bụi Urê)
Hình II.6. Sơ đồ quy trình tổng hợp Urê, nhà máy phân đạm Hà Bắc
(Khác với hình II.5, do không có quá trình tách H 2O và không có phân hủy  nước thải
chứa NH3).


-

Tháp tổng hợp (1): hiệu suất 50 – 70%
Thiết bị phân giải (2): nhằm tách Urê, H2O ra khỏi lượng khí dư
Thiết bị cô đặc (3): nhằm tăng nồng độ Urê (99%), cô đặc bằng phương pháp bay hơi
Tháp tạo hạt (4):
Urê đi từ trên xuống, khí thổi từ dưới lên, khí xé Urê  tạo hạt nhỏ
*/ Thuyết minh:
- Tổng hợp: phản ứng giữa NH 3 và CO2 xảy ra ở p = 200 at, nhiệt độ = 180 – 190 0C 
tạo cacbamat
Phân giải: phân hủy amoni cacbamat để tách cacbamit với CO 2 và NH3. Công đoạn
này quyết định chi phí năng lượng cho sản xuất và lượng thải ra (khí thải từ cô đặc;
bụi từ tạo hạt)  ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình cô đặc, tạo hạt  tập trung giải
quyết ở công đoạn này.
+ Các phản ứng xảy ra:
NH 2 CO 2 NH 4 ⇔ NH 3 + CO 2
NH 2 CO 2 NH 4 ⇔ 2(NH 4 ) 2 CO 3

2(NH 4 ) 2 CO 3 ⇔ NH 4 HCO 3 + NH 3

+ Một phần Urê bị phân hủy theo:
(NH 2 ) 2 CO + H 2 O → NH 2 CO 2 NH 4
NH 2 CO 2 NH 4 → (NH 4 ) 2 CO 3
(NH 4 ) 2 CO 3 → NH 4 CNO → NH 3 + HNCO
HNCO → H 3 N 3 C 3 O 3 (Biure)

-

-

Hấp thụ: quyết định lượng khí thải có chứa Urê  có thể tiến hành hấp thụ nhiều lần
hoặc dùng thiết bị hấp thụ theo nguyên tắc ngược chiều  hiệu suất hấp thụ cao  giảm
NH3 thải.
Cô đặc: nhằm tăng nồng độ NH3  trong khí thải kéo theo NH3
Tạo hạt: trong các tháp cao, không khí đi ngược chiều với dịch Urê  dịch Urê nóng
chảy rơI tự do xuống. Quá trình gồm 3 giai đoạn: làm lạnh giọt Urê lỏng từ nhiệt độ đầu


đến nhiệt độ đông cứng; đông cứng Urê khi nhiệt độ không đổi; làm lạnh Urê từ nhiệt độ
không đổi đến nhiệt độ sản phẩm ra khỏi tháp. Bụi phát sinh ở công đoạn này do: 1) trong
hạt có các lỗ xốp do thoát khí nên khi va chạm chuyển động sẽ dễ vỡ  tạo bụi Urê,
được dòng khí cuốn ra ngoài; 2) mặt khác, hạt Urê được tạo thành ở các nhiệt độ khác
nhau, vận tốc khí không đều nên kích thước hạt không đều  các hạt nhỏ bị cuốn ra khỏi
tháp.
II.2.3. Các dạng chất thải và hướng xử lý
1. Các dạng chất thải

-

-

*/Khí thải
Chủ yếu có CO2 dư (do nguyên liệu)
Khí thải sau khi hấp thụ lần cuối chứa NH3, CO2
Hơi thứ bốc ra ở các nồi cô đặc chứa NH3 (do NH3 dễ bay hơi)
Khí thải từ tháp tạo hạt: chứa bụi Urê và NH3  gây mùi đậm đặc
Khí rò rỉ theo các đường ống
Mùi Urê ở công đoạn cô đặc
*/Nước thải
Là nguồn gây ô nhiễm, tuy lượng không cao.
Nước làm lạnh ở thiết bị truyền nhiệt
Nước ngưng tụ, bốc hơi chứa NH3 (do dễ bay hơi), cacbamit (Urê)
Nước rửa sàn, vệ sinh thiết bị

2. Hướng xử lý

-

*/Sản xuất sạch hơn
Thay đổi công nghệ, thiết bị hiện đại hơn  giảm lượng thải
Tạo hạt trong môi trường hữu cơ: làm lạnh Urê xuống nhiệt độ rất thấp  lượng bụi rất
đều (hạt cứng), không bay ra ngoàI  giảm lượng bụi phát sinh trong công đoạn tạo hạt.
*/Xử lý cuối đường ống
Tách từng dòng khí thảI đê xử lý bụi Urê


-

Cho hấp thụ NH3 bằng dung dịch H2SO4  tạo (NH4)2SO4 là 1 loại phân bón
Thu hồi bụi = xyclon hoặc thiết bị tách bụi túi


II.3. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUFURIC

-

-

-

II.3.1. Đặc điểm
H2SO4 là axit hoạt tính mạnh
Chất lỏng, không màu
Kết tinh ở nhiệt độ 10,450C, sôi ở nhiệt độ 296,20C
H2SO4 hòa tan SO3 gọi là oleum (20, 25, 30,35  65% SO3). Thực tế hay sản xuất oleum
vì có thể tạo axit với nồng độ khác nhau
Ứng dụng: làm nguyên liệu sản xuất phân bón, làm ắc quy...
II.3.2. Công nghệ sản xuất H2SO4
Có 2 phương pháp:
Phương pháp tiếp xúc: dùng V2O5 làm xúc tác
Phương pháp tháp: dùng NO làm xúc tác, xảy ra trong tháp đệm
Tiến hành theo 4 giai đoạn:
Tạo SO2 bằng cách đốt nhiên liệu chứa S
Tinh chế khí (làm sạch tạp chất có trong khí)
Chuyển hóa SO2 thành SO3
Hấp thụ SO3 bằng H2O  tạo H2SO4:
Phương pháp tiếp xúc cho nồng độ axit cao (98 – 99%), tuy nhiên chi phí cao.
Phương pháp tháp: chi phí đầu tư đơn giản, nồng độ axit đạt 70 – 75%.

1. Nguyên liệu

Sử dụng nguyên liệu chứa S, có thể là:
+) S nguyên chất: chi phí cao
+) Quặng pyrit FeS2, chứa 30 – 50%S, lẫn tạp chất và thành phần khác
+) Các nguồn khí thải có chứa S (như H2S, SO2...)


2. Quy trình sản xuất H2SO4 theo phương pháp tiếp xúc

Chuẩn bị nguyên liệu
Sản xuất khí SO2
Tinh chế khí SO2
Oxy hóa SO2  SO3
Hấp thụ khí SO3
Bụi quặng
Xỉ quặng
Bụi, nước thải
Khí thải SO2, SO3
Hoàn thành sản phẩm
Bụi

Hình II.7. Sơ đồ quy trình sản xuất H2SO4 theo phương pháp tiếp xúc

-

-

*/ Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu:

Dùng phương pháp cơ học: đập, nghiền, sàng
*/ Công đoạn sản xuất khí SO2
Nếu từ quặng FeS2  dùng lò tầng sôi đốt.
Phản ứng tổng quát:
4FeS2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q

+ ở 5000C
2FeS2 = 2FeS + S 2

+ S cháy nhanh trong không khí


S + 2O 2 = 2SO 2

+ FeS cháy  oxit sắt và SO2
4FeS + 7O 2 = 2Fe 2 O 3 + 4SO2

-

-

Khí thải: SO2, O2, SO3,
Xỉ quặng: một vài tạp chất + oxit sắt (II, III)
*/ Công đoạn tinh chế SO2
Nhằm lọc bụi và các khí lẫn với SO2.
Phương pháp lọc bụi:
+ khô: xyclon, lọc bụi tay áo
+ ướt: xyclon ướt, lọc bụi tĩnh điện ướt (lọc triệt để bụi)
*/ Công đoạn oxi hóa SO2  SO3
- Dùng xúc tác V2O5 hoặc K2O:

2O 5
SO 2 + O 2 V
→ SO 3 + Q

-

 nếu tăng áp suất hoặc giảm nhiệt độ  có lợi cho quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên
phải điều chỉnh nhiệt độ và áp suất phù hợp. Nhiệt độ tối ưu = 400 – 6000C.
Cơ chế: lúc đầu, khi nồng độ SO2 cao (7 – 10%) thực hiện phản ứng ở nhiệt độ = 600 0C.
Khi nồng độ SO2 giảm, để đảm bảo độ chuyển hóa tốt  hạ nhiệt độ ≈ 4000C. Dọc theo
chiều dài tháp thì nhiệt độ giảm dần  trong công nghiệp, thiết kế tháp nhiều tầng, xen
kẽ các thiết bị trao đổi nhiệt. Khi vận hành, không khí và SO 2 sau khi làm sạch bụi sẽ lần
lượt qua các tầng trao đổi nhiệt để có nhiệt độ từ 400 – 500 0C. Ở tầng xúc tác thứ 1 sẽ
chuyển hóa được 70%. Qua các tầng xúc tác thứ 2, 3, 4  hiệu suất chuyển hóa tăng dần
90%, 92%, 98% tương ứng. SO 3 dẫn ra ở tầng trao đổi nhiệt cuối cùng có nhiệt độ nhỏ
nhất, thường còn lại 2% SO2 chưa chuyển hóa  sẽ bị thải ra ngoài.


-

Muốn giảm lượng thải SO2  phải tăng hiệu quả quá trình chuyển hóa, có thể dùng tiếp
xúc kép (cho toàn bộ hỗn hợp đi ra quay vòng tuần hoàn SO 2), tuy nhiên tốn kém, tăng
chi phí  ít sử dụng.
*/ Công đoạn hấp thụ SO3

SO3 (300C)
SO3

SO3 dư

1
2
3
4
H2O
Oleum
H2SO4 (98,3%)
H2SO4 (96%)
H2SO4 (98,3%)
H2SO4 (96%)

Khí thải SO2, SO3
H2so4 70%

Hình II.8. Sơ đồ quy trình hấp thụ SO3
1. Tháp trao đổi nhiệt

3. Tháp hấp thụ II

2. Tháp hấp thụ I

4. Tháp hấp thụ III (tháp an toàn)


-

Phản ứng:
-

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

-

 axit tạo ra ở dạng mù axit, rất khó lắng
 Trong thực tế, thường quay vòng: dùng dung dịch H 2SO4 đặc để hấp thụ SO3 
cho ra sản phẩm có nồng độ cao hoặc oleum.

- Thuyết minh: SO3 từ tháp tiếp xúc được làm nguội bằng tháp trao đổi nhiệt (1). Tại tháp
hấp thụ 1 (2), SO3 được hấp thụ bằng dung dịch H 2SO4 98,3%, tạo oleum lấy ra ở cuối
tháp. Khí SO3 dư được dẫn sang tháp hấp thụ 2 (3), lại được hấp thụ bằng dung dịch
H2SO4 96%. Sản phẩm là H2SO4 98,3% được tuần hoàn cung cấp cho tháp hấp thụ 1.
Tháp hấp thụ 3 (4) là tháp hấp thụ an toàn trước khi xả ra ngoài
- Ưu điểm:
- + Tạo axit có độ tinh khiết cao
- + Tạo axit với các nồng độ khác nhau
3. Phương pháp tháp
- Oxi hóa NO  tạo NO2:
-

1
NO + O 2 = NO 2
2
-

Xúc tác chuyển hóa SO2  SO3
-

1
SO 2 + O 2 NO


2 → SO 3
2
-

-

 sản phẩm H2SO4 có độ tinh khiết không cao.