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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN HỮU CƠ – HÓA DẦU

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN ĐẠM

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Trung
Lớp: KTHH06 – K60
MSSV: 20153986
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Vũ

HÀ NỘI 2016


MỤC LỤC
Phần I: Khái quát về ngành kĩ thuật hóa học trong nước và trên thế giới
1.
Kỹ thuật hóa học là gì?
2.
Ứng dụng của kỹ thuật hóa học?
3.
Chương trình đào tạo kỹ thuật hóa học tại trường đại học Bách
Khoa Hà Nội
Phần II: Khái quát về quá trình sản xuất phân đạm
1.
Giới thiệu chung về lịch sử, tình hình phát triển phân đạm
1.1.
Khái niệm và phân loại phân đạm
1.2.
Lịch sử hình thành và phát triển phân đạm

1.3.
Tình hình phân đạm ở nước ta
1.4.
Nhu cầu sử dụng phân đạm ở nước ta
2.
Công nghệ sản xuất phân đạm
2.1.
Lý thuyết tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp
2.1.1. Lý thuyết tổng hợp urê
2.1.2. Ảnh hưởng tỷ lệ NH3/CO2
2.1.3. Ảnh hưởng tỷ lệ H2O/CO2
2.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất
2.1.5. Sự hình thành biuret
2.2.
Các phương pháp sản xuất urê
2.3.
Công nghệ tổng hợp urê
2.4.
Công nghệ tạo hạt
2.4.1. Bốc hơi
2.4.2. Kết tinh với tái nóng chảy
2.4.3. Tạo hạt
2.5.
Quy trình sản xuất urê – Xưởng sản xuất urê nhà máy phân đạm
Hà Bắc
2.5.1. Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất urê
2.5.2. Mô tả khái quát dây chuyền sản xuất
2.5.3. Thiết bị và cơ sở hạ tầng
2.5.4. Dây chuyền sản xuất amoniac
2.5.5. Xưởng tổng hợp urê

Phần III: Kết luận

1
1
2
2
3
3
3
6
6
8
9
9
9
9
10
10
11
11
12
13
14
14
15
15
15
17
20
20

30
32


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

Kỹ thuật hóa học là gì?

Kỹ thuật hóa học là một nhánh của khoa học ứng dụng cơ bản (vật lý và
hóa học) và khoa học sự sống (vi sinh vật học và hóa sinh) cùng với toán học
ứng dụng và kinh tế để tạo ra, chuyển hóa, vận chuyển, và sử dụng hóa chất,
vật liệu và năng lượng đúng cách. Về cơ bản, các kỹ sư hóa học thiết kế các
quy trình quy mô lớn để chuyển đổi các hóa chất, vật liệu thô, các tế bào
sống, vi sinh vật và năng lượng thành các dạng và sản phẩm hữu ích. Kỹ
thuật hóa học cũng quan tâm đến vật liệu mới có giá trị tiên phong và khoa
học như trong công nghệ nano các tế bào nhiên liệu, kĩ thuật y sinh,… Kỹ
thuật hóa học chủ yếu liên quan đến thiết kế, cải tiến bảo trì các quá trình hóa
học hoặc sinh học chuyển cho quy mô lớn sản xuất. Kỹ sư hóa học đảm bảo
cho các quy trình được vận hành một cách an toàn, bền vững và kinh tế. Kỹ
sư kỹ thuật hóa học được sử dụng nhiều với tên kỹ sư quá trình. Một thuật
ngữ liên quan nhiều hơn là “Công nghệ hóa học”. Kỹ sư hóa học thiết kế quy
trình để đảm bảo hoạt động kinh tế nhất, điều này có nghĩa là toàn bộ dây
chuyền sản xuất phải được quy hoạch và kiểm soát chi phí.
Các quá trình được sử dụng bởi các kỹ sư hóa học (chưng cất hoặc lọc)
được gọi là hoạt động đơn vị và bao gồm các phản ứng hóa học, nhiệt và lực
chuyển giao hoạt động. Hoạt động đơn vị được nhóm lại với nhau trong các
cấu hình khác nhau với mục đích tổng hợp hóa học phân tích hóa học.
Ba định luật vật lý cơ bản được sử dụng là bảo toàn khối lượng, bảo toàn
động lượng và bảo toàn năng lượng. Sự chuyển động của khối lượng và năng

lượng trên một quá trình hóa học được đánh giá bằng cách sử dụng cân bằng
khối lượng và cân bằng năng lượng. Luật áp dụng cho các bộ phận rời rạc
của các thiết bị, hoạt động đơn vị hoặc toàn bộ một nhà máy. Khi làm như
vậy các kỹ sư cũng phải sử dụng các nguyên tắc của nhiệt động học, động
học phản ứng, cơ chất lỏng và hiện tượng vận chuyển. Chúng là công cụ trợ
giúp mô phỏng quá trình.
Thiết kế là làm việc thông qua một số giai đoạn, khái niệm quá trình và
phản ứng hóa học, một sơ đồ sản xuất được thiết kế bao gồm tất cả các dòng
vật chất trong quá trình này: từ vật liệu, quá trình và sản phẩm trung gian,
hoạt động đơn vị, chất thải, sản phẩm cuối. Thiết kế sơ bộ được thực hiện để
ước tính chi phí, không gian và các yêu cầu về môi trường để tiếp tục đánh
giá tính khả thi của ý tưởng. Sau giai đoạn đòi hỏi phải thiết kế và đặc điểm
kỹ thuật của tất cả các phần và mỗi phần của các thiết bị quá trình đó và cuối
cùng tính toán chi phí và lập kế hoạch dự án. Giám sát thử nghiệm, công việc
3


mô phỏng theo,chạy quá trình và đảm bảo nó tiếp tục, có các cải tiến liên tục
cho cuộc sống của quá trình này.
2.

Ứng dụng của kỹ thuật hóa học?

Kỹ thuật hóa học được ứng dụng trong nhiều loại sản phẩm, các ngành
công nghiệp hóa học có phạm vi lớn, sản xuất hợp chất vô cơ, hữu cơ công
nghiệp, gốm sứ, năng lượng và hóa dầu, hóa chất nông nghiệp (phân bón,
thuốc trừ sâu,…), chất dẻo, chất đàn hồi, chất nổ, chất tẩy rửa, hóa chất oleo,
nước hoa, hương liệu phụ gia, dược và mỹ phẩm,… Chế biến gỗ, chế biến
thực phẩm, công nghệ môi trường, kỹ thuật dầu khí, thủy tinh, sơn và chất
phủ, keo và chất kết dính,… có liên quan chặt chẽ với nhau.

Kỹ thuật hóa học hiện đại bao gồm nhiều quá trình hơn các quá trình cũ.
Kỹ sư hóa học thì đang tham gia vào sản xuất đa dạng hàng hóa được chuyên
môn hóa, chuyên môn hóa chất. Sản phẩm này bao gồm vật liệu hiệu suất
cao cần thiết cho hàng không vũ trụ, điện tử, y sinh, quân sự ứng dụng. Ví dụ
như: sợi siêu bền, thuốc nhuộm tế bào, năng lượng mặt trời, vật liệu sinh học
giả các bộ phân con người, dược phẩm,… Ngoài ra kỹ thuật hóa học thường
gắn với sinh học và kỹ thuật y sinh. Nhiều kỹ sư hóa học làm việc trên các
dự án sinh học như biopolymers sự hiểu biết về protein và lập bản đồ gen
người. Ngày nay, các lĩnh vực công nghệ hóa học là tới chế biến khoáng sản,
…
3.

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

Ngành Kỹ thuật hóa học là ngành học liên quan đến sự phát triển sự hiểu
biết và thiết kế một cách có hệ thống của các hệ thống, quá trình hóa học
phục vụ cho việc chuyển hóa từ nguyên liệu đến sản phẩm. Đây là một
ngành kỹ thuật quan trọng, kết hợp kiến thức hóa học và toán học cơ bản với
các nguyên tắc kỹ thuật và có cân nhắc về các yếu tố kinh tế hiện thực. Các
lĩnh vực hoạt động của ngành khác nhau từ nhỏ đến rất lớn. Một đặc thù chủ
yếu của kỹ thuật hóa học là chuyển các kết quả nghiên cứu quy mô phòng thí
nghiệm sang sản xuất thương mại quy mô lớn.Kỹ thuật hóa học bao gồm
những nguyên lý được ứng dụng trong một loạt các ngành công nghiệp đa
dạng như hóa dầu, gốm sứ, lọc dầu, kim loại cơ bản, nhựa, công nghệ sinh
học, chế biến thực phẩm, dược phẩm, thủy tinh và hóa chất nói chung.
Tại trường đại học Bách Khoa, hệ đại học bao gồm các hệ:
•
•

Cử nhân: Kỹ thuật hóa học, hóa học, công nghệ kỹ thuật hóa học, kĩ thuật
in và truyền thông (4 năm).
Kỹ sư: Kỹ thuật hóa học, kỹ thuật in và truyền thông (5 năm)
4


Ngành kỹ thuật hóa học (có 10 chuyên ngành)
-

Công nghệ hóa lý
Công nghệ hữu cơ – hóa dầu
Công nghệ các chất vô cơ
Công nghệ vật liệu silicat
Công nghệ xenluloza và giấy
Công nghệ điện hóa và bảo vệ kim loại
Quá trình – thiết bị công nghệ hóa học
Công nghệ vật liệu polyme và compozit
Công nghệ hóa dược và hóa chất bảo vệ thực vật
Máy và thiết bị công nghiệp hóa chất – dầu khí

Chương trình đào tạo cử nhận và kỹ sư kỹ thuật hóa học nhằm đào tạo
chung về kiến thức hóa học, công nghệ hóa học thuộc các chuyên ngành
khác nhau ở trên, đáp ứng yêu cầu về nguồn nhân lực cho xã hội. Sau khi kết
thúc chương trình cử nhân, sinh viên sẽ được nhận bằng cử nhân và có thể
tiếp tục theo chương trình kỹ sư thuộc 10 chuyên ngành kể trên.
Phần II: Khái quát về quá trình sản xuất phân đạm
1. Giới thiệu chung về lịch sử, tình hình
1.1.
Khái niệm và phân loại phân đạm

phát triển phân đạm

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

Phân urê

Phân urê (CO(NH2)2) có 44-48% nitơ nguyên chất. Loại phân này chiếm
59% tổng số các loại phân đạm được sản xuất ở các nước trển thể giới. Urê là

5


loại phân có tỷ lệ nitơ cao nhất. Trên thị trường có bán 2 loại phân urê có
chất lượng giống nhau:
1.
2.

Loại tinh thể màu trắng, hạt tròn, dễ tan trong nước, có nhược điểm là
hút ẩm mạnh.
Loại có dạng viên, nhỏ như trứng cá. Loại này có thêm chất chống ẩm

nên dễ bảo quản, dễ vận chuyển nên được dùng nhiều trong sản xuất
nông nghiệp.

Phân urê có khả năng thích nghi rộng và có khả năng phát huy tác dụng
trên nhiều loại đất khác nhau và đối với các loại cây trồng khác nhau. Phân
này bón thích hợp trên đất chua phèn.
Phân urê được dùng để bón thúc. Có thể pha loãng theo nồng độ 0.5–
1.5% để phun lên lá.
Trong chăn nuôi, urê được dùng trực tiếp bằng cách cho thêm vào khẩu
phần thức ăn cho lợn, trâu bò. Phân này cần được bảo quản kỹ trong túi
pôliêtilen và không được phơi ra nắng. Bởi vì khi tiếp xúc với không khí và
ánh nắng urê rất dễ bị phân huỷ và bay hơi. Các túi phân urê khi đã mở ra
cần được dùng hết ngay trong thời gian ngắn.
Trong quá trình sản xuất, urê thường liên kết các phần tử với nhau tạo
thành biuret. Đó là chất độc hại biuret đối với cây trồng. Vì vậy, trong phân
urê không được có quá 1,5% biuret (theo tiêu chuẩn Việt Nam).
•

Phân amoni nitrat

Phân amôn nitrat (NH4NO3) có chứa 33–35% nitơ nguyên chất. Ở các
nước trên thế giới loại phân này chiếm 11% tổng số phân đạm được sản xuất
hàng năm.
Phân này ở dưới dạng tinh thể muối kết tinh có màu vàng xám. Amôn
nitrat dễ chảy nước, dễ tan trong nước, dễ vón cục, khó bảo quản và khó sử
dụng. Là loại phân sinh lý chua. Tuy vậy, đây là loại phân bón quý vì có chứa
cả NH4+ và cả NO3-, phân này có thể bón cho nhiều loại cây trồng trên nhiều
loại đất khác nhau. Amôn nitrat bón thích hợp cho nhiều loại cây trồng cạn
như thuốc lá, bông, mía, ngô…
Phân này được dung để pha thành dung dịch dinh dưỡng để tưới cây trong

nhà kính và tưới bón thúc cho nhiều loại rau, cây ăn quả.
•

Phân amoni sunphat
6


Còn gọi là phân SA, sunphat đạm (NH4)2SO4 có chứa 20–21% nitơ
nguyên chất. Trong phân này còn có 24-25% lưu huỳnh (S). Trên thế giới
loại phân này chiếm 8% tổng lượng phân hoá học sản xuất hàng năm. Phân
này có dạng tinh thể, mịn, màu trắng ngà hoặc xám xanh. Phân này có mùi
nước tiểu (mùi amôniac), vị mặn và hơi chua. Cho nên nhiều nơi gọi là phân
muối diêm.
Sunphat đạm là loại phân bón tốt vì có cả N và lưu huỳnh là hai chất dinh
dưỡng thiết yếu cho cây.
Phân này dễ tan trong nước, không vón cục. Thường ở trạng thái tơi rời,
dễ bảo quản, dễ sử dụng. Tuy nhiên, nếu để trong môi trường ẩm phân dễ
vón cục, đóng lại thành từng tảng rất khó đem bón cho cây.
Có thể đem bón cho tất cả các loại cây trồng, trên nhiều loại đất khác
nhau, miễn là đất không bị phèn, bị chua. Nếu đất chua cần bón thêm vôi, lân
mới dung được đạm sunphat amôn. Phân này dung tốt cho cây trồng trên đất
đồi, trên các loại đất bạc màu (thiếu S).
Đạm sunphat được dùng chuyên để bón cho các loại cây cần nhiều S và it
N như đậu đỗ, lạc, v.v. và các loại cây vừa cần nhiều S vừa cần nhiều N như
ngô.
Cần lưu ý là đạm sunphat là loại đạm có tác dụng nhanh, rất chóng phát
huy tác dụng đối với cây trồng, cho nên thường được dung để bón thúc và
bón thành nhiều lần để tránh mất đạm.
Khí bón cho cây con cần chú ý là phân này dễ gây cháy lá. Không nên sử
dụng phân đạm sunphat để bón trên đất phèn, vì phân dễ làm chua thêm đất.

•

Phân amoni clorua

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

Phân xianamit canxi

Phân này có dạng bột không có tinh thể, màu xám tro hoặc màu trắng, đốt
không có mùi khai. Xianamit canxi có chứa 20 – 21% N nguyên chất, 20 –
28% vôi, 9 – 12% than. Vì có than cho nên phân có màu xám đen. Cũng có
7


loại phân tỷ lệ than thấp hoặc không có than nên phân có màu trắng. Cần chú
ý chống ẩm cho phân khi bảo quản, bởi vì nếu phân hút ẩm sẽ bị biến chất,
hạt phân phình to lên làm rách bao bì và làm hỏng dụng cụ đựng. Phân này
dễ bốc bụi. Khi bám vào da sẽ làm hỏng da, phân bay vào mắt sẽ làm hỏng
giác mạc mắt, vì vậy khi sử dụng phân này phải rất cẩn thận. Phân này có
phản ứng kiềm, bởi vậy có thể khử được chua, dùng rất tốt ở các loại đất
chua. Xianamit canxi thường được dùng để bón lót. Muốn dùng để bón thúc
phải đem ủ trước khi bón. Bởi vì phân này khi phân giải tạo ra một số chất
độc có thể làm hỏng móng chân trâu bò, hại da chân người nông dân.
Thường sau 7 – 10 ngày các chất độc mới hết. Thưởng xianamit canxi được

trộn ủ với phân rác làm cho phân chóng hoai mục. Phân này không được
dùng để phun lên lá cây.
•

Phân amoni photphat

Là loại phân vừa có đạm, vừa có lân. Trong phân có tỷ lệ đạm là 10-18%,
tỷ lệ lân là 44-50%. Phôtphat đạm có dạng viên, màu xám tro hoặc trắng,nói
chung màu sắc tùy thuộc vào nhà sản xuất và không ảnh hưởng tới chất
lượng. Trên thị trường hiện nay đang lưu hành hai loại phân bón ammonphot
là DAP(18-46-0)và MAP(10-50-0) Phân dễ chảy nước. Vì vậy, người ta
thường sản xuất dưới dạng viên và được đựng trong các bao nilông. Phân rất
dễ tan trong nước và phát huy hiệu quả nhanh. Phân được dùng để bón lót,
bón thúc đều tốt. Phân là loại dễ sử dụng. Phân DAP là loại phân trung tính
nên có thể sử dụng trên các loại đất khác nhau, còn phân MAP là loại chua
sinh lý(pH: 4-4.5) nên không thích hợp đối với các loại đất chua. Phân có tỷ
lệ đạm hơi thấp so với lân, cho nên cần bón phối hợp với các loại phân đạm
khác, nhất là khi bón cho các loại cây cần nhiều đạm.
1.2.

Lịch sử hình thành và phát triển phân đạm

Ngành phân bón gắn liền với lịch sử ngành hóa chất Việt Nam. Phôi thai
từ thời kháng chiến chống Pháp, tuy nhiên sau khi hòa bình lập lại ngành mới
có điều kiện phát triển.
Đánh dấu bước ngoặt phát triển của ngành phân bón là năm 1959, chúng
ta đã khởi công xây dựng nhà máy supe phốt phát Lâm Thao. Tháng 4 năm
1962, nhà máy đã chính thức đi vào hoạt động và xuất xưởng những tấn phân
lân supe đầu tiên phục vụ nông nghiệp.

8


Từ sản lượng 6 nghìn tấn phốt phát năm 1955 thì năm 1960 đã đạt 541,4
nghìn tấn, trong đó apatit là 490 nghìn tấn và phốt phát nghiền là 49.7 nghìn
tấn ( tăng hơn 90 lần ).
Đến nay, năng lực sản xuất phân vô cơ các loại đã đạt đến 8 triệu tấn/năm.
Đáp ứng khoảng 80% nhu cầu thị trường.
1.3.

Tình hình phân đạm ở nước ta

Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế có vai trò quan trọng
trong nền kinh tế Việt Nam, với hơn 60% dân số sống bằng nghề nông. Vì
vậy nhu cầu phân đạm cho nông nghiệp là rất lớn.
Ngành phân bón hiện nay có khá nhiều bất cập, cả nước có đến 500 doanh
nghiệp sản xuất phân vô cơ. Trong đó không ít công ty, doanh nghiệp làm ăn
chộp giật đã biến ngành này trở nên hỗn loạn, mất kiểm soát.
Hiện trạng sản xuất và quản lý phân đạm ở Việt Nam được thể hiện ở một
số điểm sau:
•

Quá nhiều đơn vị sản xuất phân đạm với quy mô nhỏ, cơ sở hạ tầng kém,

•

máy móc đơn giản, v.v. nên đã tạo ra sản phẩm có chất lượng kém.
Có nhiều loại phân đạm nên rất khó quản lý và hướng dẫn nông dân sử
dụng

Phân urê hiện tại năng lực trong nước đến thời điểm hiện tại là 2340 triệu
tấn/ năm, bao gồm Đạm Phú Mỹ 800.000 tấn, Đạm Cà Mau 800.000 tấn,
Đạm Hà Bắc 180.000 tấn, Đạm Ninh Bình 560.000 tấn. Như vậy, về urê sản
xuất trong nước không những phục vụ đủ cho nhu cầu sản xuất nông nghiệp
mà còn có lượng để xuất khẩu.
Phân DAP hiện sản xuất trong nước tại nhà máy DAP Đình Vũ 330.000
tấn/năm, từ năm 2015 có thêm nhà máy DAP Lào Cai công suất 330.000
tấn/năm. Năm 2015 sản lượng trong nước đạt gần 1 triệu tấn DAP/năm, cơ
bản đáp ứng đủ nhu cầu trong nước.
Phân SA hiện tại nước ta chưa có nhà máy nào sản xuất SA và nhu cầu
của nước ta vẫn là nhập khẩu 100% từ nước ngoài.
9


Mặc dù môi trường kinh tế khó khăn hiện nay gần như làm suy yếu hầu
hết các ngành kinh tế, song tình hình kinh doanh của ngành phân đạm vẫn
tương đối tốt. Nguyên nhân chủ yếu là do nhu cầu phân đạm ổn định và liên
tục. Cụ thể, hơn 60% dân số làm việc trong ngành nông nghiệp, diện tích đất
canh tác tăng trung bình 1% một năm, và nhu cầu lương thực đang tăng với
tốc độ lớn hơn tốc độ tăng trưởng dân số. Do đó, các nhà máy phân đạm
trong nước sẽ có thể dễ dàng giới thiệu sản phẩm của họ.
Tuy nhiên, mức lợi nhuận cao cũng như những biến động trong tăng
trưởng lợi nhuận đều đã được ghi nhận. Điều này là do giá ohaan bón trong
nước bị phụ thuộc vào giá phân bón trên thị trường thế giới vón đã bị giao
động đáng kể từ cuộc khủng hoảng kinh tế năm 2008. Đặc biệt sản xuất dư
thừa đã làm hạn chế tăng trưởng lợi nhuận của ngành phân bón. Biên lợi
nhuận ròng và tăng trưởng lợi nhuận đã giảm từ mức 12.9% và 60% trong
năm 2011 xuống 10.46% và 1.17% trong năm 2012. Rõ ràng khi cung vượt
cầu, và dưới áp lực thị trường giá bán và lợi nhuận theo đó cũng bị sụt giảm
theo.

1.4.

Nhu cầu sử dụng phân đạm ở nước ta

Trước năm 1989, nước ta thiếu lương thực triền miên, hằng năm phải
nhập khẩu lương thực với số lượng lớn, có năm trên 1 triệu tấn. Năng suất
lúa rất thấp, trung bình giai đoạn 1981-1985 chỉ đạt 24,25 tạ/ha. Sản xuất
nông nghiệp mang nặng tính tự cung tự cấp, nông dân chủ yếu sử dụng phân
hữu cơ như phân chuồng, phân bắc, phân xanh,… bón cho cây trồng. Tỉ lệ sử
dụng phân vô cơ (đạm) rất thấp, chủ yếu dựa vào một số nhà máy trong nước
với sản lượng không đáng kể do nhà nước bao tiêu sản phẩm. Tổng lượng
chất dinh dưỡng hoàn trả lại cho đất thấp hơn rất nhiều so với lượng chấy
dinh dưỡng mà nông sản lấy đi. Năm 1985-1986 tổng lượng chất dinh dưỡng
(N + P2O5 + K2O) sử dụng là 385,5 nghìn tấn ( tương đương 1,1 triệu tấn
phân bón các loại ) trên diện tích đất nông nghiệp khoảng 6990 nghìn ha. Tỉ
lệ 3 chất dinh dưỡng cơ bản cũng mất cân đối 1:0,23:0,05, tương đối nhiều

10


đạm, quá ít kali, và ít lân; so với tỷ lệ bình quân trên thế giới thời kỳ này là
1:0,47:0,36 .
Từ năm 1990, sản xuất nông nghiệp nước ta tăng trưởng nhanh và liên
tục. Năm 2004, tổng sản lượng lương thực quy thóc đạt trên 39 triệu tấn, xuất
khẩu khoảng 4 triệu tấn gạo đứng thứ 2 thế giới, trên diện tích đất canh tác
khoảng 13,8 triệu ha, trong đó đất trồng lúa là 4,02 triệu ha với hệ số quay
vòng của đất là 2,03-2,06. Tiêu dùng phân bón vô cơ ở nước cũng tăng nhanh
trong 20 năm qua. Nếu năm 1990 tổng lượng phân đạm urê tiêu dùng khoảng
0,8 triệu tấn thì năm 2003 lên tới 2,3 triệu tấn. Năm 2004-2005 tiêu dùng
khoảng 2,708 triệu tấn dinh dưỡng cơ bản ( tương đương 7,5 tiệu tấn phân vô

cơ ), tăng 7 lần so với năm 1985-1986. Sử dụng phân đạm tăng trung bình
9,5% / năm.
2. Công nghệ sản xuất phân đạm
2.1.
Lý thuyết tổng hợp và các yếu
2.1.1. Lý thuyết tổng hợp urê

tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp

Urê là sản phẩm được tạo thành qua phản ứng tổng hợp ammoniac lỏng
và khí CO2.
Trong tháp tổng hợp urê, ammoniac và CO2 phản ứng tạo thành amoni
cacbamat, một phần ammonium cacbamat tách nước tạo thành urê.
Các phản ứng xảy ra như sau:
2NH3 + CO2
1.033 kg/cm2, 25oC) (1)
NH2-COO-NH4
(Ở 1.033 kg/cm2,25oC) (2)

NH2COONH4 + 32560 kcal/kmol cacbamat (Ở
NH2-CO-NH2 + H2O -4200 kcal/kmol urê

Ở điều kiện phản ứng (T=188-190oC, P=152-157 barg), phản ứng thứ
nhất xảy ra nhanh chóng và hoàn toàn, phản ứng thứ hai xảy ra chậm và
quyết định vận tốc phản ứng.
Phần ammonium cacbamat tách nước được xác định bằng tỉ lệ các chất
phản ứng khác nhau, nhiệt độ phản ứng và thời gian lưu trong tháo tổng hợp.
11

Phản ứng thứ nhất tỏa nhiệt mãnh liệt trong khi đó phản ứng thứ hai thu nhiệt
yếu và xảy ra trong pha lỏng ở tốc độ chậm.
Sau hệ thống tổng hợp urê, quá trình phân hủy (và thu hồi có liên quan)
không thay đổi thành phần phản ứng được thực hiện ba bước sau:
Phản ứng phân hủy là phản ứng ngược chiều với phản ứng (1)
NH2-COO-NH4

2NH3 + CO2 (- nhiệt)

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

2.1.2.

Ảnh hưởng tỷ lệ NH3/CO2
Hình: ảnh hưởng của tỷ lệ NH3/CO2

Theo phương trình phản ứng ở trên, phản ứng tạo urê thì tỷ số mol
NH3/CO2 là 2 nhưng trong thực tế nhà máy chọn tỉ lệ NH3/CO2, trong khoảng
từ 2,5 đến 5.Vì theo biểu đồ, khi tăng tỷ lệ mol NH3/CO2 từ 2 đến 9 thì hiệu
suất phản ứng tăng từ 40-85%. Trên những điều kiện khác, khi tỷ lệ mol
NH3/CO2 thay đổi từ 2 đến 0.5, sản phẩm urê sẽ thay đổi chỉ từ khoảng 40%
đến khoảng 45%.

12


Vì vậy ảnh hưởng của CO2 là rất nhỏ so với NH3. Hơn thế nữa, dưới điều
kiện giàu CO2, dung dịch sẽ trở nên ăn mòn nhiều hơn và vận hành có vấn đề
liên quan đến kết tinh là quá quan trọng.
Nói chung, hầu hết tất cả các nhà máy urê được vận hành dưới tỷ lệ

NH3/CO2 trong khoảng giữa 2.5 và 5.0.
2.1.3.

Ảnh hưởng tỷ lệ H2O/CO2

Từ phản ứng thứ hai, rõ ràng rằng lượng nước dư trong dung dịch phản
ứng làm cản trở sự hình thành urê từ cacbamat. Nhưng nếu hàm lượng nước
quá thấp thì nồng độ cacbamat trở nên cao cùng với vấn đề nghẽn đường
ống.
Do đó, thông thường thì tỉ lệ mol H2O/CO2 là 0.4-1 trong các nhà máy công
nghiệp.
2.1.4.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất

Mối liên hệ giữa độ chuyển hóa cân bằng và nhiệt độ vận hành được đưa
ra bởi Fréjacques và những người cộng sự như sau: độ chuyển hóa tăng tỉ lệ
với sự tăng nhiệt độ, nhưng Otsuka và những người cộng sự đã báo cáo rằng
độ chuyển hóa cân bằng tối đa tồn tại xung quanh là 196-200oC.
Phản ứng phân hủy là phản ứng ngược chiều với phản ứng (1)
NH2-COO-NH4

2NH3 + CO2 (- nhiệt)

Phản ứng xảy ra mãnh liệt khi giảm áp và/hoặc tăng nhiệt. Từ phản ứng
này có thể thấy rằng sự phân hủy được xúc tiến bằng cách giảm áp suốt
và/hoặc cung cấp nhiệt.
2.1.5.

Sự hình thành biuret

Biuret là phản ứng không mong muốn đucợ hình thành khi hai mol urê
kết hợp thành một mol biuret và một mol ammoniac bằng gia nhiệt.
2(NH2-CO-NH2)

NH2-CO-NH-CO-NH2 + NH3

Vì biuret có hại tới sự đâm chồi của hạt, và làm héo cây dứa và cam, quýt
khi đạm được phun lên lá, hàm lượng biuret trong phân đạm trên thị trường
thế giới được yêu cầu dưới 1.5%. Biuret tạo thành gần như trong tất cả các
giai đoạn của quá trình sản xuất urê và chủ yếu được tạo thành ở hệ thống
phân hủy thấp áp và nhiệt độ cao. Nhìn chung, sự tạo thành biuret tăng lên
nhanh chóng khi nhiệt độ vượt quá 110oC do đó cần phải giữ nhiệt độ/áp suất
và thời gian lưu của mức urê lỏng ở giá trị bình thường trong các bình chứa ở
mỗi giai đoạn phân hủy đặc biệt là trong bình chứa của thiết bị tách chân
không.
13


2.2.
Các phương pháp sản xuất
a. HOCN + NH3 = (NH2)2CO

urê

Phương pháp này ít được sử dụng do phản ứng xảy ra ở nhiệt độ áp suất
cao, HOCN gây độc hại.
b.

COCl2 + 2NH3 = (NH2)2CO + 2HCl

Tuy nhiên có xảy ra phản ứng phụ : NH3 + HCl = NH4Cl làm cho lượng
NH3 thực tế sử dụng lớn hơn lý thuyết. Do đó phương pháp này cũng ít được
sử dụng.
c.

COS + 2NH3 = NH2COSNH4
Nhiệt phân: NH2COSNH4

(NH2)2CO +H2S

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

2NH3 + CO2 = NH2COONH4 (1)
NH2COONH4
t ,p
(NH2)2CO + H2O (2)
o

Đây là quá trình ngược với quá trình thủy phân carbonat amôn, hay nói
cách khác đây là quá trình dehydrat hóa.
Phản ứng (1) xảy ra nhanh và tỏa nhiệt được thực hiện đến cùng. Phản
ứng (2) là phản ứng thu nhiệt, xảy ra chậm và không hoàn thiện, hiệu suất
chuyển hóa tính trên lượng CO2 khoảng 50 – 80 %.
Nhiệt độ quá trình sản xuất cao hơn nhiệt độ nóng chảy của urê nên urê
trong quá trình sản xuất ở dạng nóng chảy, áp suất hơi lớn. Nước tạo nên sự
xuất hiện cabonat và sản phẩm trung gian là (NH4)2CO3 … Do đó cần phải
chưng luyện làm sạch.

Đây là nguyên tắc được áp dụng sản xuất ngoài thực tế. Tuy nhiên quy
trình sản xuất vẫn luôn được nghiên cứu để làm sao hạ thấp được giá thành
sản phẩm và giảm thiểu chất thải ra môi trường.
Với những cải tiến quan trọng, ngày nay người ta ưu chuộng hai hệ thống
sản xuất urê theo nguyên tắc trên được gọi là “quy trình tận dụng” (stripping
process) giúp tiết kiệm chi phí cũng như năng lượng. Một hệ thống dùng CO2
thu hồi (CO2 stripping process) và một hệ thống dùng NH3 thu hồi (ammonia
stripping). Ngoài ra còn có hệ thống kết hợp sử dụng hai kỹ thuật trên.
2.3.

Công nghệ tổng hợp urê

Các phương pháp sản xuất urê từ khí thiên nhiên được sử dụng hiện nay
trên thế giới, căn cứ vào khả năng thu hồi CO2 và NH3, đã phát triển thành ba
công nghệ chính như sau:
14


-

Công nghệ không thu hồi (Once-through process)
Công nghệ thu hồi một phần (Partial recycle process)
Công nghệ thu hồi hoàn toàn (Total recycle process)

Ngày nay, chỉ có công nghệ thu hồi hoàn toàn được áp dụng. Tổng
chuyển hóa NH3 khoảng 99%. Kết quả không có sản phẩm phụ chứa nitơ tạo
thành và việc sản xuất urê chỉ phụ thuộc vào việc cung cấp CO2 và NH3 từ
xưởng NH3. Tuy nhiên, công nghệ này cũng đắt nhất về chi phí đầu từ và vận
hành. Việc phân hủy cacbamat được thực hiện bằng việc kết hợp gia nhiệt,
giảm áp và quá trình stripping (quá trình này làm giảm áp suất riêng của một

hoặc nhiều thành phần). Các công nghệ xuyên suốt hoặc thu hồi một phần
thường đồi hỏi chi phí đầu tư thấp hơn, cũng như chi phí vận hành thấp hơn
nhưng độ tin cậy giảm (do sự phụ thuộc lẫn nhau của phân xưởng urê và các
phân xưởng khác), tính linh hoạt giảm (do tỷ lệ các sản phẩm phụ) và khó
đồng bộ giữa 2 phân xưởng. Dịch urê thu được sau công đoạn phân hủy
thường đạt nồng độ 65-77%. Dịch này có thể được sử dụng để sản xuất các
loại phân bón chứa nitơ hoặc chúng được cô đặc để sản xuất urê.
•

Công nghệ urê không thu hồi

Vấn đề chủ yếu của việc sản xuất urê là phân ly cacbamat amôn chưa
chuyển hóa và ammoniac dư của dung dịch urê tuần hoàn.
Cacbamat chưa chuyển hóa được phân hủy thành NH3 và khí CO2 bằng cách
gia nhiệt hỗn hợp dòng công nghệ ở điều kiện thấp áp. Khí NH3 và CO2 thoát
khỏi dịch urê và được sử dụng để sản xuất các muối amôn bằng cách hấp thụ
NH3 trong acid sunfuaric và acid photphoric. Một nhà máy như thế này sẽ có
chi phí đầu tư tương đối thấp, nhưng có lượng khí thải tương đối lớn.
Do nhu cầu về urê cấp phân bón tinh khiết ngày càng tăng, nên các nhà máy
đi theo công nghệ không thu hồi ít có tính hấp dẫn, bởi vì nó sản xuất ra quá
nhiều muối amôn với mức tuần hoàn nhỏ.
•

Công nghệ tuần hoàn dung dịch

Khí NH3 và CO2 thu hồi từ dòng công nghệ của tháp tổng hợp trong các
công đoạn phân hủy ở các áp suất khác nhau (cao áp, trung áp và thấp áp)
được hấp thụ trong nước và được tái tuần hoàn trở lại cho tháp tổng hợp
dung dịch cacbamat amôn lỏng có chứa ammoniac. Hầu như toàn bộ gần một
nửa công suất urê của thế giới sản xuất ra đi theo công nghệ này

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

Công nghệ C cải tiến tuần hoàn toàn bộ Misui – Toatsu
Công nghệ montedision
15


- Công nghệ stripping CO2 stamircarbon
- Công nghệ stripping NH3 snamprogetti
2.4.
Công nghệ tạo hạt

Có ba phương pháp cô đặc dịch urê là cô đặc chân không, kết tinh và bốc
hơi ở áp suất khí quyển. Phương pháp lựa chọn phụ thuộc vào hàm lượng
biuret cho phép sản xuất trong sản phẩm cuối. Dịch urê bắt đầu phân hủy
thành biuret và NH3 ở 100oC. Phương pháp chung nhất của cô đặc dung dịch
là bốc hơi. Dịch được cô đặc cung cấp urê nóng chảy để hóa rắn. Urê rắn
cũng như phân bón khác có thể được sản xuất từ dạng nóng chảy theo 2
phương pháp cơ bản: phương pháp phun (Prilling) và phương pháp kết hạt
(Granulation). Để tăng cường độ cứng và khả năng chịu tác động của phân tử
urê, urê formandehyd hoặc các hợp chất chứa forrmandehyd được thêm vào
urê nóng chảy. Các phụ gia này cũng làm giảm xu hướng kết tảng của urê và
giảm hàm lượng bụi. Formandehyd phản ứng với urê tạo matylendi urê và
giảm hàm lượng bụi. Formandehyd phản ứng với urê tạo metylendi urê, đây
là tác nhân quan trọng. Một số dầu khoáng có thể được phun vào sau khi
hoàn tất quá trình sản xuất urê.
Các quá trình urê tạo ra dịch nước có chứa khoảng 10-87% urê. Loại dịch
này có thể dùng trực tiếp làm các chất phân bón huyền phù đạm hoặc làm các

chất dung dịch nittrat amôn mà trong những năm gần đây nhu cầu tăng
nhanh. Dịch urê có thể được cô đặc bằng cách bốc hơi hay kết tinh để phục
vụ cho mục đích sản xuất phân bón hỗn hợn hay các sản phẩm khcas. Urê
đậm đặc được hóa rắn dưới dạng tinh khiết như dạng hạt, viên, vẩy hay tinh
thể.
Urê cứng có thể được vận chuyển bảo quản và sử dụng kinh tế hơn nhiều
so với dịch lỏng. Ngoài ra, dưới dạng rắn urê ổn định và việc hình thành
biuret cứng không đáng kể.
2.4.1.

Bốc hơi

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

16


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

2.4.2.

Kết tinh với tái nóng chảy

Sự có mặt của biuret trong phân urê cấp kỹ thuật dùng trong ngành sản
xuất nhựa plastic rất có hại. Urê cứng thu được của quá trình kết tinh nói
chung có độ thuồn khá và phù hợp cho các ứng dụng trong nông nghiệp và y
học.
Dịch sản phẩm urê được nạp vào cho thiết bị kết tinh chân không, hoạt động
ở áp suất khoảng 8.0 KPa (60mmHg) và nhiệt độ là 60oC. Hơi nước của dung
dịch bốc ra được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ chân không làm lạnh bằng
nước có lắp vòi phun chân không. Vữa của thiết bị kết tinh (khoảng 30%
trọng lượng urê ) được đưa vào thiết bị ly tâm dạng đẩy liên tục. Các tinh thể
được phân ly khỏi dịch ban đầu, được rửa bằng nước sấy khô và đưa lên đỉnh
tháp tạo hạt và đucợ tái nóng chảy trong một thiết bị nóng chảy tinh thể đốt
nóng bằng hơi nước. Bởi vậy người ta thu được sản phẩn urê nóng chảy
thường có chứa khoảng 0,3% trọng lượng biuret và khoảng 0,2% trọng lượng
ẩm. Dịch ban đầu phân l trong ly tâm được đốt nóng bằng hơi trong thiết bị
đốt nóng kết tinh để cung cấp một lượng nhiệt tương ứng cho việc bốc hơi
nước trong dung dịch và tuần hoàn trở lại cho các thiết bị kết tinh để duy trì
nồng độ thích hợp. Một lượng nhỏ dịch ban đầu giàu biuret được thổi từ hệ
thống vào để chống việc hình thành biuret.
2.4.3.

Tạo hạt

Cho đến thời gian gần đây urê mới được sản xuất theo công nghệ tạo hạt
bằng tháp. Urê sản phẩm thu được bằng phương pháp bốc hơi hay phương
pháp nóng chảy tinh thể được phung dưới dạng hạt từ đỉnh của tháp hình trụ
có độ cao khoảng 50-60m và cho phép rơi ngược dòng qua một dòng không

khí được phát ra từ thiết bị làm lạnh tầng sôi ở dưới đáy tháp. Trong một số
nhà máy sản phẩm được qua sang và các hạt quá khổ không đúng tiêu chuẩn
có thể được đưa tới cho khâu tái nóng chảy hay hòa tan, cô đặc lại hay tái
tuần hoàn. Các hạt phun khô thường được hình thành trong một thùng hình
côn quay có khẩu độ thích hợp hoặc thiết bị khác sản sinh ra một lượng các
hạt phun nhỏ được phân bố đều trên mặt cắt ngang của tháp. Cho đến thời
gian gần đây, các hạt urê thường rất nhỏ tạo ra đường kính dung tích hạt
trung bình khaongr 1,7mm.

17


Hiện nay do áp dụng các loại tháp có độ cao hơn trước nhiều vào công
nghệ có sự cầu tiến nên kích thước hạt urê trung bình là 2,4mm là tăng tính
pha trộn của sản phẩm khi trộn với các loại phân bón rắn khác. Nói chung
urê tạo hạt bằng tháp thường có độ cứng kém hownc ả đồ bền nghiền và độ
chịu mài mòn so với cùng loại được sản xuất bằng thiết bị phun, ngay cả khi
người ta cho thêm formandehyd bổ sung vào cho dịch nóng chảy trước khi
nạp cho tháp tạo hạt. Công ty Stamicacbon gần đây đã thực hiện nhiều bước
cải tiến trong lĩnh vực này và kết quả urê sản xuất ra có độ bền nghiền và độ
chịu và đập tốt hơn.
Các loại tháp tạo hạt cần phải có nhiều không khí và như vậy việc khống
chế ô nhiễm rất tốn kém. Ngoài việc công nghệ tạo hạt có các ưu điểm linh
hoạt như cỡ hạt tối ưu mà nó còn tạo ra các sản phẩm có các thành phần lý
học khá tốt.
2.5.

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

Để có mô tả chi tiết về quá trình sản xuất (từ nguyên liệu ra sản phẩm,
thông tin về thiết bị sản xuất) em xin chọn nhà máy phân đạm Hà Bắc để cụ
thể hóa các quá trình và chi tiết.
2.5.1.

Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất urê

18


19


2.5.2.

Mô tả khái quát dây chuyền sản xuất

Với đặc điểm công nghệ sản xuất Urê ở Công ty Phân đạm và Hoá chất
Hà Bắc đi từ khí hoá than nguyên liệu rắn, quá trình khí hoá ở khâu tạo khí
sử dụng nguyên liệu chính là than cục, hơi nước và không khí. Theo thiết kế,
công nghệ dùng than cục cỡ hạt 50 - 100 mm để chế tạo khí than, sau này
dùng than cỡ hạt phổ biến 25 - 100 mm, để tiết kiệm hạ giá thành sản phẩm
hiện nay đã dùng cả than cục cỡ hạt 12 - 25 mm. Bình quân mỗi ngày chạy
máy bình thường tiêu tốn hết 400 - 450 tấn than cục.
Quá trình khí hoá than nguyên liệu như sau: Hơi nước 0,49 MPa nhiệt độ
250oC được cấp từ Nhà máy Nhiệt điện tới, không khí được cấp từ quạt
không khí tới, đi qua tầng than nóng đỏ ( trong lò khí hoá ) lò tạo khí có nhiệt
độ T 1.100OC thực hiện các phản ứng, tạo thành hỗn hợp các khí CO, CO2,
H2S, H2, N2, CH4 gọi là hỗn hợp khí than ẩm. Các phản ứng hoá học chủ yếu
xảy ra là :

2C + O2 → 2CO + Q1
C + O2 → CO2 + Q2
2CO + O2 → 2CO2 + Q3
C + H2O → CO + H2 + Q4
C + 2H2 → CO2 + 2H2 + Q5
N2 là khí trơ vào hỗn hợp khí theo O2 của không khí. Mục đích của quá
trình khí hoá than chỉ nhằm thu được H2 và N2 theo tỷ lệ H2:N2 = 3:1 làm
nguyên liệu cho quá trình tổng hợp NH3. Vì thế hỗn hợp khí than ẩm cần
được làm sạch bụi (nhờ công đoạn rửa khí than và lọc bụi bằng điện), khí
than sau khi qua lọc bụi điện được đưa tới công đoạn khử H2S thấp áp. Công
đoạn khử H2S theo thiết kế ban đầu sử dụng dung dịch ADA - Antraquinon
Disunfuric ACid (hiện nay đã chuyển sang dùng dung dịch keo Tananh) có
tính Ôxy hoá khử mạnh, hiệu suất khử H2S cao. Khí than được qua hệ thống
quạt để nâng áp suất đi vào tháp khử H2S, sau tháp khử hàm lượng H2S giảm
xuống còn < 150 mg/Nm3 được đưa vào đoạn I của máy nén khí nguyên liệu
H2 - N2 6 cấp. Dịch Tananh sau hấp thụ được đưa đi tái sinh và đưa trở lại
quá trình hấp thụ, bọt lưu huỳnh được thu lại chế thành sản phẩm phụ là lưu
huỳnh rắn.
Hỗn hợp khí than sau khử H2S thấp áp vào đoạn I máy nén 6 cấp để thực
hiện quá trình nén nâng áp, khí than ẩm ra đoạn III có áp suất P = 2,1 MPa;
nhiệt độ 40oC được đưa tới công đoạn biến đổi. Đầu tiên đi qua bộ phân ly
dầu, nước, sau đó qua 2 bộ lọc bằng than cốc để khử hết dầu, bụi, các tạp
chất khác; rồi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí biến đổi, sau đó hỗn hợp với
20


hơi nước quá nhiệt đi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí than, ra khỏi bộ trao đổi
nhiệt khí than được hỗn hợp với khí than lạnh thành hỗn hợp khí có nhiệt độ
180 - 210OC, tỷ lệ hơi nước/khí khoảng 0,3; đi vào đỉnh lò Biến đổi số I, lần
lợt qua tầng chất bảo vệ, tầng chống độc - chống Ôxy và tầng xúc tác biến

đổi chịu lưu huỳnh. Một phần khí CO bị chuyển hoá, nhiệt độ hỗn hợp khí
đạt 350 - 380OC đi ra khỏi đáy lò biến đổi số I, đi vào thiết bị trao đổi nhiệt
khí than, rồi đi vào bộ làm lạnh nhanh I bằng nước. Hỗn hợp khí có nhiệt độ
180 - 210OC đi vào đoạn trên lò biến đổi số II, tiếp tục tiến hành phẩn ứng
chuyển hoá CO, nhiệt độ đạt 300 - 320OC rồi đi ra và đi qua bộ làm lạnh
nhanh II bằng nước , hỗn hợp khí có nhiệt độ 180 - 210OC tiếp tục đi vào
đoạn dới của lò biến đổi số II, phần khí CO còn lại tiếp tục bị chuyển hoá.
Khí biến đổi có nhiệt độ 250OC và [CO] 1,5 % ra khỏi lò biến đổi số II, đi
vào thiết bị trao đổi nhiệt khí biến đổi, qua thiết bị đun sôi khí biến đổi của
hệ thống tái sinh tăng áp dung dịch khử CO2 để thu hồi nhiệt một lần nữa,
sau đó được đưa tới cương vị khử H2S trong khí biến đổi.
Khí biến đổi tới đi vào phía đáy tháp hấp thụ, qua các tầng đệm H2S được
hấp thụ bởi dung dịch Tananh dội từ đỉnh tháp xuống.
Khí được phân ly bọt ở bộ khử bọt trên đỉnh tháp sau đó đi ra khỏi tháp
hấp thụ vào tháp phân ly, ở đây mù dịch Tananh cuốn theo khí được tách ra
và khí tiếp tục được đưa sang cương vị khử CO2 bằng dung dịch kiềm nóng.
Khí biến đổi sau khử lưu huỳnh qua thiết bị trao đổi nhiệt, được gia nhiệt
bởi khí từ công đoạn biến đổi đến, nhiệt độ tăng từ 40OC lên 90OC và đi vào
phía dới tháp hấp thụ, khí sau khi khử CO2 ra khỏi đỉnh tháp hấp thụ, qua
thiết bị làm lạnh bằng nước, thiết bị phân ly rồi đi về đoạn IV máy nén khí
nguyên liệu 6 cấp.
Khí tinh chế vào đoạn IV máy nén khí nguyên liệu được nén lên áp suất
12,5MPa đưa sang cương vị tinh chế vi lượng bằng dung dịch Amoniac
Acetat đồng và dumg dịch kiểm. Quá trình tổng hợp NH3 đòi hỏi hàm lượng
các chất gây ngộ độc xúc tác nh CO, CO2, H2S và O2 là nhỏ nhất. Công đoạn
rửa đồng và rửa kiềm nhằm khử tối đưa các chất đó. Ra khỏi công đoạn này
khí tinh chế còn lượng rất nhỏ H2S và (CO + CO2)< 20 PPM được gọi là khí
tinh luyện.
Khí tinh luyện với thành phần chủ yếu N2 và H2 theo tỷ lệ H2: N2 = 3: 1
vào đoạn VI máy nén để tăng áp cho quá trình tổng hợp NH3. Khí tinh luyện

ra đoạn VI máy nén có P = 31,5 MPa được đưa qua bộ phân ly dầu, nước,
sau đó vào thiết bị 3 kết hợp, tại đây nó được kết hợp với khí tuần hoàn,
được làm lạnh bằng khí lạnh và bằng NH3, giảm nhiệt độ xuống -2OC, các
cấu tử lỏng nh dầu, nước, NH3 bị ngưng tụ và phân ly, khí ra khỏi thiết bị 3
kết hợp được dẫn vào tháp tổng hợp NH3 lần 1, vừa để làm lạnh thành tháp
21


đồng thời cũng nhận nhiệt của phản ứng tổng hợp, ra khỏi tháp lần 1 trao đổi
nhiệt với khí ra tháp lần 2, nâng nhiệt độ lên 180OC, rồi vào tháp tổng hợp
lần 2, cùng với sự có mặt của xúc tác sắt (Fe) để tiến hành phản ứng tổng
hợp. Phản ứng tổng quát của quá trình có thể biểu diễn như sau:
N2 + 3H2 → 2NH3 + Q.
NH3 hình thành ở trạng thái khí, ra khỏi tháp được làm lạnh gián tiếp
bằng nước và ngưng tụ thành NH3 lỏng qua phân ly 1 để tách NH3 ngưng tụ
ra khỏi hỗn hợp khí, sau đó hỗn hợp khí này được đưa qua máy nén tuần
hoàn turbine nâng áp suất lên để bù phần áp suất bị giảm do phản ứng tổng
hợp NH3 là phản ứng giảm thể tích và lượng khí NH3 bị ngưng tụ sau bộ làm
lạnh bằng nước. Ra máy nén tuần hoàn hỗn hợp khí đi vào thiết bị 3 kết hợp,
trộn lẫn với nguồn khí mới từ máy nén khí nguyên liệu tới, tiếp tục đi từ trên
xuống thực hiện quá trình làm lạnh, ngưng tụ và phân ly, phần khí không
ngưng còn lại tiếp tục quay trở lại tháp tổng hợp thực hiện chu trình tuần
hoàn liên tục. NH3 lỏng có nồng độ 99,8% được phân tách khỏi hệ thống
bằng các thiết bị phân ly, được giảm áp xuống 2,4 MPa, qua thùng chứa
trung gian được đưa ra kho chứa NH3 lỏng (Kho cầu) là sản phẩm cuối cùng
của quá trình tổng hợp NH3.
Từ kho cầu NH3 lỏng được cấp đến hệ thống bơm NH3 cao áp, nâng áp
suất lên 20 MPa, được đưa vào tháp tổng hợp Urê.
Khí CO2 được nhả ra từ tháp tái sinh CO2 khu vực tinh chế khí, xưởng
tổng hợp NH3 được đưa đến công đoạn nén khí CO2 5 cấp- 836, khí CO2 ra

đoạn 3 có áp suất 3,3 MPa, được đưa qua hệ thống khử H2S trong khí CO2,
qua tháp khử hàm lượng H2S giảm xuống còn < 5 PPm, được đưa trở lại
đoạn 4 máy nén CO2, tiếp tục được nâng áp suất lên 20 MPa, được đưa đến
tháp tổng hợp Urê. Tại tháp tổng hợp, với nhiệt độ 190OC và áp suất 20 MPa,
phản ứng tổng hợp Urê xảy ra, tiến hành theo 2 giai đoạn rất nhanh :
4NH3 + 2CO2 + H2O = 2NH4COONH2 + 38.000 Kcal/Kmol;
Sau đó, dung dịch cacbamat tách nước tạo thành Urê:
NH4COONH2 = (NH2)2CO + H2O + 6.800 Kcal/Kmol.
Rút gọn 2 phản ứng trên ta có phản ứng tổng hợp:
2NH3 + CO2 = (NH2)2CO + H2O + Q.
Hiệu suất của phản ứng đạt 65 - 68 %.
Quá trình tổng hợp Urê mang tính tuần hoàn toàn bộ: Toàn bộ NH3 và
CO2 được đưa trở lại đầu hệ thống. Dịch phản ứng (cácbamát amôn) có nồng
độ thấp 30 %) qua các công đoạn phân giải và cô đặc để tách NH3 chưa phản
22


ứng đưa trở lại tháp tổng hợp, đồng thời nồng độ Urê cũng được tăng lên
(99,8 %) và được đưa vào tháp tạo hạt. Nhờ lực ly tâm của vòi phun, dòng
Urê bị cắt ngang và rơi xuống tạo thành các hạt. Quạt gió (N = 108.000 m3/h)
đặt trên đỉnh tháp hút gió làm nguội hạt Urê trong quá trình rơi. Hạt Urê rơi
xuống phễu ở đáy tháp qua hệ thống băng tải được tiếp tục làm nguội rồi đến
công đoạn đóng bao, đóng thành bao Urê qui cách 50 kg/bao, rồi chuyển vào
kho chứa sản phẩm.
2.5.3. Thiết bị và
a. Xưởng nước

cơ sở hạ tầng

Là đơn vị phụ trợ cung cấp các loại nước (Bao gồm : Nước nguyên, nước

Công nghiệp, nước Sinh hoạt, nước Tuần hoàn, nước mềm hoá học) đầy đủ,
liên tục và đảm bảo chất lượng cho dây chuyền Hoá, Nhiệt Điện và có nhiệm
vụ thoát nước cho toàn hệ thống dây chuyền sản xuất.
b.

Phân xưởng than

Là đơn vị sản suất phụ trợ nằm trong dây truyền sản xuất Urê có nhiệm
vụ tiếp nhận than từ các phương tiện chuyên chở - ở Công ty Đạm phương
tiện chuyên chở chính là các xà lan. Than được 2 cẩu công suất 1.000
tấn/ngày chuyển tải vào kho chứa bằng hệ thống băng tải. Than từ kho được
các cẩu bốc đổ vào bunke và cung cấp than cho là Nhiệt Điện sản xuất hơi và
Tạo khí chế tạo khí than.
c.

Xưởng nhiệt điện

Là đơn vị sản xuất chính trong dây truyền Urê có nhiệm vụ nhận than từ
Phân xưởng Than, nhận nước mềm từ Xưởng Nước, sản xuất Hơi nước các
loại để sản xuất điện và cung cấp cho dây truyền sản xuất Urê.
d.

Xưởng tạo khí
Chế khí nguyên liệu cho quá trình tổng hợp NH3. Phân xưởng bao gồm

các cương vị chính như sau:
- Cương vị lò tạo khí.
- Cương vị lọc bụi điện.
- Cương vị bơm dầu cao áp.
- Cương vị nước tuần hoàn.

- Cương vị thu hồi nhiệt khí thổi gió.
23


2.5.4. Dây chuyền sản xuất
a. Công đoạn tinh chế khí

amoniac

Tinh chế là khâu công nghệ quan trọng trong dây chuyền sản xuất
Amôniắc (NH3), dùng nguyên liệu than đá, khí hoá theo phương pháp gián
đoạn tầng cố định chế khí than ẩm.
Trong khí than ẩm không chỉ chứa những thể khí cần cho tổng hợp NH3
nh H2, N2, mà còn chứa kèm theo nhiều tạp chất hoá học, cơ học khác nh các
khí CO, CO2, CH4, Ar, H2S, COS, Lưu huỳnh hữu cơ, tro bụi và dầu mỡ, trừ
CH4 và Ar được phóng không tại cương vị tổng hợp NH3, còn các thành phần
khác đều phải loại bỏ tại khâu tinh chế khí, một lượng nhỏ CO, CO2 và H2S
bằng dung dịch đồng hạ nồng độ xuồng mức vi lượng (CO + CO2) < 20 PPm,
H2S < 1 PPm, hỗn hợp khí N2, H2 tơng đối thuần khiết được đưa tới làm khí
nguyên liệu cho cương vị tổng hợp NH3.
Công đoạn Tinh chế bao gồm các công đoạn sau:
+ Khử H2S trong Khí than ẩm
+ Biến đổi CO
+ Khử H2S trong khí biến đổi
+ Khử CO2
CO2 thu hồi có độ thuần 98%, nhiệt độ 40 oC làm nguyên liệu cho tổng
hợp Urê và sản xuất CO2 lỏng, rắn.
Khâu khử H2S trong khí than ẩm có hệ thống thiết bị thu hồi S, lưu huỳnh
thành phẩm được dùng cho một số ngành công nghiệp khác...
b.

Khử lưu huỳnh trong khí nhiên liệu
Công ty phân đạm và hoá chất Hà Bắc sản xuất NH3 bằng khí nguyên liệu

đi từ than đá, khí hoá gián đoạn trong tầng cố định để được khí than ẩm (khí
24


nguyên liệu), trong khí nguyên liệu này có chứa một lượng nhất định hợp
chất lưu huỳnh mà chủ yếu là H2S, ngoài ra có một số hợp chất lưu huỳnh
hữu cơ như CS2, COS, thioalcohol, thio-phene(C4H4S)...Nói chung hàm
lượng lưu huỳnh hữu cơ chỉ khoảng 810% so với lưu huỳnh vô cơ.
Hợp chất lưu huỳnh trong khí nguyên liệu không những chỉ gây ăn mòn
thiết bị, đường ống mà còn làm xúc tác tổng hợp NH 3 bị ngộ độc (Xúc tác
dùng trong tổng hợp NH3, đòi hỏi hàm lượng lưu huỳnh trong khí vào tháp
rất nhỏ chỉ ở một mức độ nhất định) và cũng có thể làm hỏng dung dịch khử
CO2. Vì vậy phải tìm cách khử sạch S tồn tại trong khí nguyên liệu, quá trình
loại bỏ hợp chất lưu huỳnh được gọi tắt là "khử S". Ngoài ra S còn làm
nguyên liệu quan trọng trong một số ngành công nghiệp.
Có nhiều phương pháp khử bỏ S, căn cứ vào hình thái vật lý của chất khử
bỏ S có thể chia thành 2 phương pháp chính là khử S kiểu khô và khử S kiểu
ớt.
Khử S kiểu khô: Dùng chất khử S dạng rắn như bột Fe2O3, Than hoạt
tính... để khử H2S lượng nhỏ và hợp chất S hữu cơ trong khí nguyên liệu. Ưu
điểm của phương pháp này là vừa khử được S vô cơ và S hữu cơ, độ tinh
khiết cao có thể khử nồng độ hợp chất S xuống dới 1 PPm. Nhược điểm là
chỉ khử được khí có hàm lượng H2S thấp. Chất khử khó tái sinh, thường sau
khi đã hấp phụ bão hoà H2S thì thải bỏ, gây ô nhiễm môi trường.
Khử S kiểu ướt: Chủ yếu dùng để khử H2S có trong khí nguyên liệu còn
hợp chất S ở dạng hữu cơ khó hơn. Dựa vào tính chất phản ứng khác nhau

giữa chất lỏng và H2S còn chia phương pháp ướt thành 3 loại: Phương pháp
hấp thụ hoá học, phương pháp hấp thụ vật lý và phương pháp hấp thụ vật lý
hoá học.

25