Thiết kế dây chuyền sản xuất urê 55

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

MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp việc sản xuất Urê bằng phương pháp tổng hợp từ
ammoniac và khí cacbonic được thực hiện vào năm 1868 do A.I Badarôp đưa ra.
Urê là loại phân đạm chứa nhiều hàm lượng Nitơ nhất (46%), có tác dụng tốt
đối với việc nâng cao năng suất chất lượng sản phẩm cây trồng.
Urê không chỉ được sử dụng rộng rãi trong nơng nghiệp mà nó cịn được ứng
dụng trong nhiều nghành công nghiệp khác như: Công nghiệp sản xuất nhựa, tổng
hợp keo,.., Ngồi ra Urê có cũng được sử dụng rộng rãi trong nghành công nghiệp
dược phẩm và sản xuất sợi.
Nước ta là một nước nông nghiệp, trên 70% dân số sống bằng nghề nơng.Vì
vậy nơng nghiệp là một nghành quan trọng cần được đầu tư phát triển để đảm bảo
vấn đề an ninh lương thực, và trở thành một cường quốc xuất khẩu lương thực, do
đó phân bón phục vụ nơng nghiệp là rất quan trọng và cần thiết. Nhu cầu phân bón
ở nước ta hiện nay ước tính khoảng 3500000 tấn/năm.(Theo
www.cuctt.mard.gov.vn thống kê năm 2006).
Để đạt được mục tiêu đó thì việc nghiên cứu tìm ra các loại phân bón mới có
tác dụng nâng cao nâng suất chất lượng sản phẩm cây trồng và giá thành rẻ là điều
rất cần thiết. Đồng thời cũng phải nghiên cứu các biện pháp cải tiến công nghệ,
thiết bị cũng như việc đầu tư thay thế các dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng
cao năng suất chất lượng và hạ giá thành sản phẩm.
Hiện nay ở nước ta năng lực sản xuất phân bón phục vụ nơng nghiệp của nhà
máy vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sản xuất nơng nghiệp trong nước.Do đó hàng
năm nước ta vẫn phải nhập khẩu một lượng khá lớn phân bón nơng nghiệp của
nước ngoài.
Nguyên liệu để sản xuất Urê là từ NH 3 và CO2. Hiện nay ở nước ta có hai nhà
máy sản xuất Urê là nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc ở Bắc Giang và nhà
máy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu.
Nhà máy Đạm Phú Mỹ ở Bà Rịa – Vũng Tàu sử dụng dây chuyền công nghệ
của hãng Haldor Topsoe ( Đan Mạch) và của hãng Snamprogetti (Ý) đi từ nguồn

nguyên liệu ban đầu là khí đồng hành, tạo ra NH 3 lỏng và khí CO2 đưa và tổng hợp
Urê.
Nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc đi từ nguồn nguyên liệu ban đầu là
than đá tạo ra NH3 lỏng và khí CO2, sử dụng dây chuyền cơng nghệ tuần hồn lỏng
tồn bộ cho q trình tổng hợp Urê.
Phần tính tốn thiết kế Xưởng sản xuất Urê dưới đây, được trình bày dựa trên
dây chuyền của Cơng ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc.

1


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

PHẦN I
GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM URÊ
(NH2)2CO
I. NGUN LIỆU.
1. Đioxit Cacbon:
Cơng thức hố học : CO2
Khối lượng phân tử : 44 (Đ.V.C)
Ở điều kiện thường điôxit cacbon là chất khí khơng màu. Ở 0 C 0 khi nén đến
áp suất 35,5 atm thì điơxit cacbon sẽ hố lỏng. Chất lỏng khơng màu. Tiếp tục hạ
nhiệt độ nó tạo băng CO2 trắng.
Trong sản xuât Ure, nguốn nguyên liệu CO 2 thường được sản xuất từ than, khí
thiên nhiên…Để đạt được yêu cầu về độ sạch của CO 2, khí sau khi sản xuất được
tinh chế và làm sạch. Trong thành phần khí theo CO 2 vào tháp tổng hợp Ure người
ta quan tâm nhất là hàm lượng khí H 2S vì nó gây ăn mịn thiết bị rất mạnh và ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm. Trong thành phần khí ngồi ra cịn có các khí khác
như N2, H2…Hiện nay ở cơng ty Phân đạm và Hố chất Hà Bắc CO 2 được sản xuất
từ than Antraxit

2. Amoniac
Công thức hoá học: NH3
Khối lượng phân tử: 17,03 (Đ.V.C)
Ở điều kiện thường, Ammoniac là chất khí khơng màu, có mùi khai và xốc.
Một số hằng số hoá lý cơ bản của Ammoniac:
Nhiệt độ sơi

: -33,75 oC

Nhiệt độ nóng chảy

: -77,75 oC

Nhiệt độ kết tinh

: 132,4 oC

Thể tích phân tử ( 0 oC, 760 atm )

: 22,081 lít

2


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

Tỷ trọng ( 0 oC, 760 atm )

: 0,771 g/lít

Amoniac là chất hoà tan tốt trong nước. Ở nhiệt độ thường và áp suất ngồi
trời 1 lít nước hồ tan gần 750 lít NH 3 khí. Ở nhiệt độ thường NH 3 rất ổn định, ở
nhiệt độ cao  1200 oC thì bị phân huỷ.
Trong sản xuất Ure, Ammoniac được điều chế từ N 2 , H2. Nồng độ của NH3
trong đó rất cao đạt  99,8 % khối lượng. Phần còn lại chủ yếu là nước và 1 lượng
nhỏ khí hồ tan khác. Trong sản xuất Ure thì u cầu về nguồn nguyên liệu NH 3
cho tổng hợp Ure là NH3 lỏng giàu, lượng khí.
Nguồn nguyên liệu chủ yếu ở nước ta hiện nay để sản xuất hai khí nguyên liệu
này là than, qua nhiều giai đoạn do đó thiết bị sản xuất cồng kềnh. Nên chi phí đầu
tư lớn, làm tăng giá thành sản phẩm.
Hiện nay ở nước ta có nguồn ngun liệu là khí đồng hành có thể dùng sản
xuất khí ngun liệu cho q trình tổng hợp Urê.Nếu sử dụng nguồn nguyên liệu là
khí đồng hành cho việc sản xuất nguyên liệu tổng hợp Urê thì chi phí đầu tư sẽ
giảm so với dây chuyền sản xuất Urê từ khí nguyên liệu được sản xuất từ than.
Xét tình hình cụ thể ở nước ta hiện nay để sản xuất Urê sử dụng nguyên liệu là
than vẫn có hiệu quả tương đối cao bởi một số điều kiện sau:
+ Khí sản xuất khí ngun liệu thì tiêu thụ một lượng than rất lớn nên giải
quyết được tình trạng trì trệ của nghành than hiện nay do tạo được công ăn việc
làm và thu nhập ổn định cho người lao động ngành than.
+ Là cơ sở để xây dựng một liên hợp sản xuất nhiều mặt hàng phân bón và hố
chất như Urê, NPK, SODA, DAP, H2SO4,..,

3. u cầu về nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Urê.
a. Yêu cầu về NH3:
Nguyên liệu dùng trong sản xuất Urê là NH 3 lỏng, lượng nước dầu và khí trơ
hồ tan trong NH3 lỏng càng ít càng tốt.Hàm lượng NH 3 trong Amoniac lỏng nói
chung khơng nhỏ hơn 99,8%. Hàm lượng khí trơ hồ tan trong NH 3 phải thật
nhỏ.Nếu trong NH3 có hồ tan nhiều H2 và N2 thì sau khi vào tháp tổng hợp Urê sẽ
làm giảm đáng kể hiệu suất tổng hợp Urê. Lượng dầu chứa trong NH 3 lỏng không
được lớn hơn 15ppm, nếu hàm lượng dầu quá lớn sẽ làm bẩn bề mặt trao đổi nhiệt.

Trong NH3 lỏng thường chứa bột xúc tác tổng hợp NH 3, bởi vậy phải đuư lọc sạch
trước khi vào tháp tổng hợp Urê, nếu không sẽ che phủ tạo lớp cặn trên bề bặt
truyền nhiệt.
b. Yêu cầu về nguyên liệu CO2;

3


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

Khí CO2 dùng cho tổng hợp Urê phải đáp ứng những yêu cầu sau:
Nồng độ CO2 ≥ 98,5% khí trơ không tham gia vào phản ứng tổng hợp ≤ 1,5% tạp
chất lưu huỳnh < 15 mg/m3 tiêu chuẩn
Hàm lượng lưu huỳnh trong khí CO2 càng nhỏ càng tốt bởi hợp chất sunfua có
khả năng gây ăn mịn rất mạnh đối với các thiết bị sản xuất Urê vì vậy phải khử bỏ
lưu huỳnh trước khi vào tháp tổng hợp.
Hàm lượng H2 trong khí trơ cần khống chế < 1,2% .Nếu hàm lượng H 2 tăng
lên thì ở bộ phân nào đó trong hệ thống tổng hợp Urê sẽ tạo thành NH 3 – H2 - O2 là
một hỗn hợp khí nổ rất nguy hiểm khi gặp tia lửa. Để ngăn ngừa thiết bị sản xuất
Urê bị ăn mòn trước khi đưa khí CO 2 vào tháp tổng hợp người ta đưa vào cùng một
luợng khơng khí hoặc oxi ngun chất chiếm khoảng 2,5% thể tích khơng khí và
duy trì hàm lượng O2 trong CO2 là 0,5% thể tích.
II. SẢN PHẨM URÊ.

1. Tính chất vật lý:
Cơng thức hố học : (NH2)2CO
Khối lượng phân tử :

70

(Đ.V.C)

Phân Urê hay còn gọi là Cacbamit, là phân có chứa nhiều nitơ nhất ( 46%).
Urê tinh khiết là tinh thể màu trắng, tỷ trọng 1,33 g/cm 3, nhiệt độ nóng chảy khoảng
132,4oC.
Thành phần của phân Urê bao gồm:
- Hàm lượng Urê nguyên chất: 99,2%
- Hàm lượng Fe:

0,005%

-

< 0,015%

Hàm lượng NH3 tự do:

2. Tính chất hóa học:
a. Tác dụng nhiệt:
Urê khi đốt nóng dưới áp suất khí quyển, đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng
chảy (tonc) sẽ bị phân hủy thoát NH3. Cơ chế của quá trình như sau:
(NH2)2CO � NH4OCN
NH4OCN � HOCN + NH3
Axit xyanic
HOCN + (NH2)2CO � NH2CONHCONH2

Biure

4

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

Hợp chất Biure là thành phần có hại đối với cây trồng, nó làm cây trồng bị bạc
lá. Vì vậy cần phải tổng hợp Urê trong điều kiện thích hợp tránh việc tạo Biure

b. Độ tan của Urê trong các dung môi:
Urê tan tốt trong nước, rượu và dung dịch amoniac. Dung dịch Urê bão hòa ở
nhiệt độ to = 20oC có 51,83% (NH2)2CO
to = 60oC có 78,8% (NH2)2CO
to = 120oC có 95% (NH2)2CO
Ở nhiệt độ trên 130oC, dung dịch nước cacbamit sẽ bị phân hủy thành NH 3 và
CO2.

c. Tác dụng với các axit:
Urê tác dụng với các axit tạo thành các muối khác nhau:
-

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

-

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

d. Tác dụng với các muối:
Urê có phản ứng với một số muối tạo thành các phức, thường có chứa tới 2
cấu tử phân bón như Ca(NH3)2.4CO(NH2)2
Ca(H2PO4)2.H2O + (NH2)2CO � CO(NH2)2.H3PO4 + CaHPO4.H2O

3. Ứng dụng của Urê:
a. Trong nơng nghiệp:
Urê là loại phân đạm có thành phần Nitơ nhiều nhất (46%) khối lượng, cung
cấp một hàm lượng đạm lớn cho cây trồng. Urê có thể dung bón cho cây trồng dưới
dạng rắn, dạng lỏng tưới gốc hoặc sử dụng như phân phun qua lá đối với một số
loại cây trồng. Vì vậy phân Urê được sử dụng rất rộng rãi trong nông nghiệp.
b. Trong công nghiệp:
Urê được dùng làm nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa Urêformandehit.

5


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

Urê là thành phần chính của phân hóa học Urê và được dùng để bổ sung thức
ăn cho động vật, nó cung cấp một nguồn đạm cố định tương đối rẻ tiền để giúp cho
sự tăng trưởng.
Được sử dụng để thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay sương
muối của lòng đường hay đường băng sân bay. Nó khơng gây hiện tượng ăn mịn
như muối.
Urê là một thành phần bổ sung cho thuốc lá để thêm hương vị.
Urê là thành phần của dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước thơm.
c. Trong phịng thí nghiệm:
Urê là chất biến tính protein mạnh. Thuộc tính này được sử dụng để làm tăng
độ hòa tan của một số protein. Vì tính chất này nó được sử dụng trong các dung
dịch đặc tới 10M.
d. Trong y học:
Urê được sử dụng trong các sản phẩm da liễu để giúp cho q trình tái hydrat
hóa của da.

Urê được sản xuất và bài tiết khỏi cơ thể với một tốc độ gần như không đổi,
nồng độ Urê trong máu chỉ ra vấn đề với sự bài tiết nó hoặc trong một số trường
hợp nào đó là sự sản xuất quá nhiều Urê trong cơ thể.( Theo www. wikipedia.org)
Nồng độ Urê cao trong cơ thể có thể sinh ra các rối loạn thần kinh. Thời gian
dài bị Uremia có thể làm đổi màu da sang màu xám.
Tóm lại Urê có vai trị to lớn trong rất nhiều nghành và trong đời sống con
người, trong đó nhấn mạnh đến vai trị là phân bón trong sản xuất nơng nghiệp. Vì
vậy nghiên cứu, thiết kế dây chuyền sản xuất Urê có ý nghĩa rất quan trọng.

6


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

PHẦN II
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT URÊ TỪ
NH3 LỎNG VÀ KHÍ CO2
I. Lựa chọn dây chuyền sản xuất:
Tổng hợp trực tiếp Urê từ NH3 và CO2 bao gồm một số giai đoạn :
-

Tác dụng giữa NH3 và CO2 ( quá trình tổng hợp)

-

Chưng cất sản phẩm tổng hợp

-

Chế biến dịch Urê thành sản phẩm

Những phương pháp tổng hợp Urê ít khác nhau bởi những điều kiện quá trình
tổng hợp và chúng được phân loại chủ yếu là theo phương pháp sử dụng các khí
chưng luyện. Hiện nay có 3 phương pháp phổ biến để sản xuất Urê.

1. Phương pháp khơng tuần hồn NH3 dư:
Trong dây chuyền sản xuất phâm đạm Urê khi thực hiện q trình khơng tuần
hồn amoniac dư người ta dùng nó để chế biến các sản phẩm phụ khác như: amoni
nitrat, amoni sunfat, các muối amoni khác hoặc NH 3 lỏng. Nếu tiến hành sản xuất
Urê theo phương pháp này ta có thể kết hợp để sản xuất các sản phẩm khác, khi đó
lại cần phải có chi phí đầu tư cho các dây chuyền sản đó.

2. Phương pháp bán tuần hồn:
Trong phương pháp có tuần hồn amoniac chưa bị chuyển hóa thành Urê thì
người ta tách nó khỏi khí chưng luyện Urê chảy lỏng và cho quay trở lại chu trình.
Việc chưng luyện có thể tiến hành một cấp hay hai cấp.
Khi chưng luyện một cấp, Urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra được tiết lưu đến
1,2 at và được đưa vào chưng luyện ở 70 oC. Amoniac và sản phẩm phân hủy các
muối amoni thu được sau khi chưng luyện được đưa vào chế biến thành amoni
nitrat hoặc các sản phẩm khác. Dung dịch Urê được bốc hơi cô đặc, sau đó kết tinh.
Khi chưng luyện Urê chảy lỏng hai cấp thì phần lớn Urê chảy lỏng được quay
trở lại chu trình. Tăng lượng NH 3 dư khi tổng hợp Urê sẽ tăng được phần NH 3
chưng cấp ở cấp I của chưng luyện và lượng NH 3 được chế biến thành NH 4NO3 bị
giảm. Điều đó cho phép sử dụng lượng NH 3 dư trong quá trình tổng hợp lớn hơn so

7


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

với chưng luyện một cấp. Khí sau khi chưng luyện hai cấp là CO 2, NH3 và hơi nước
có thể đem đi chế biến thành amoni nitrat hoặc muối amoni quay lại q trình.

3. Phương pháp tuần hồn lỏng:
So với các phương pháp khác thì phương pháp sản xuất Urê cùng với sự quay
trở lại tồn bộ các khí chưng luyện chưa hấp thụ ở dạng lỏng được sử dụng phổ
biến hiện nay trong công nghệ sản xuất Urê. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này
so với các phương pháp khác ở chỗ lưu trình đơn giản thiết bị chắc chắn đáng tin
cậy, định mức tiêu hao có thể giảm tới mức tối thiểu.
Hiện nay tồn tại một số phương pháp tái sinh khí chưng luyện nhằm tuần hồn
chúng:
1- Ép nóng
2- Hấp thụ các khí bằng dầu khống
3- Hấp thụ chọn lọc NH3 và CO2 (tuần hồn khí)
4- Quay NH3 và CO2 trở lại chu trình ở dạng dịch lỏng của các muối amoni
(tuần hoàn lỏng)
Theo phương pháp ép nóng thì hỗn hợp NH 3 và CO2 được nén ở 175 �210 0C,
nghĩa là những điều kiện loại trừ sự tạo thành amoni cacbamat rắn. Phương pháp
này chưa được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp vì những khó khăn sinh ra khi
nén hỗn hợp khí ở nhiệt độ cao và ít kinh tế mặc dù là sử dụng NH 3 cao đến 93%.
Hãng CHEMICO của Mỹ đề ra tuần hoàn NH 3 và CO2 thực hiện ở trạng thái nóng
đồng thời phân hủy amoni cacbamat theo các giai đoạn 70 at, 14 �28 at và 1 at.
Khí chưng luyện thoát ra được nén đến áp suất 210 at là áp suất quá trình tổng hợp
phải thực hiện. Việc đốt nóng các khí xảy ra do nén đoạn nhiệt. Nhiệt dư trong quá
trình tổng hợp được sử dụng để chế tạo hơi nước.
Khi hấp thụ NH3 và CO2 bằng dầu khống trơ thì huyền phù amoni cacbamat
được tạo thành đi vào tháp tổng hợp. Quá trình tổng hợp được tiến hành ở 210 at và
180 0C. Mức độ chuyển NH3 và CO2 thành Urê là 40 �50%.
Nhiều phương pháp dựa vào hấp thụ chọn lọc một trong các cấu tử NH 3 và
CO2 đã được đưa ra. Ví dụ: hấp thụ chọn lọc NH 3 từ các khí chưng luyện bởi dung

dịch Urê nitrat (phương pháp INVENTA). Dioxit cacbon không bị hấp thụ, thải đi

8


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

hoặc sử dụng lại chu trình. Hấp thụ chọn lọc khí CO 2 từ khí chưng luyện (phương
pháp CHEMICO) là một ví dụ khác, theo phương pháp này thì q trình tổng hợp
được tiến hành ở 170 atm và 175 � 1850C, khi có mặt lượng dư NH3 lớn
(NH3/CO2= 6/1); điều đó cho phép nâng cao mức độ chuyển amoni cacbamat
thành Urê đến 76%. Việc hấp thụ khí CO 2 nhờ mono etanol amin. Ngày nay đối với
phương pháp này, chế độ kỹ thuật đã khác đi chút ít. Quá trình này đã được tiến
hành dưới áp suất 280 at và ở nhiệt độ 205 �232 0C, tỷ số NH3 : CO2 = (4 �4,5):1.
Hiệu suất Urê khi ấy là 80 � 85%. Tháp tổng hợp được lót bằng zinconi để nâng
cao độ bền. Nhiệt được sử dụng để chế tạo hơi nước. Quá trình được tiến hành theo
hai cấp. Việc hấp thụ khí CO 2 từ khí chưng luyện được tiến hành chọn lọc bằng
mono etanol amin.
Một phương pháp hỗn hợp tuần hồn các khí trở lại tháp tổng hợp đã được
nghiên cứu 75% NH3 và CO2 chưa phản ứng được quay trở lại chu trình ở dạng
dung dịch của các muối amoni; 25% còn lại nhờ vào hấp thụ chọn lọc. Khi hấp thụ
chọn lọc bằng dung dịch mono etanol amin thì q trình có thể được thực hiện với
sự tuần hoàn một bộ phận hoặc toàn bộ khí chưng luyện trở lại chu trình.
Những phương pháp thực hiện tuần hoàn NH 3 và CO2 trở lại chu trình ở dạng
dung dịch các muối amoni (tuần hồn lỏng) là phương pháp triển vọng nhất vì tính
kinh tế của nó. Gần đây nhiều hãng sản xuất tiến hành làm việc theo sự cải tiến của
phương pháp này.
Để điều chỉnh nhiệt độ, tháp được trang bị một vỏ lạnh. Quá trình được tiến
hành trong những điều kiện được kiểm tra nghiêm ngặt thì hiệu suất tổng hợp Urê
đạt đến 68%.

Quá trình tiến hành chưng luyện Urê được tiến hành theo hai cấp, cấp áp suất
dưới 20 at và gần đến áp suất khí quyển. Amoniac và cacbon dioxit quay tồn bộ
trở lại chu trình ở dạng dung dịch các muối amoni. Quá trình bốc hơi dung dịch Urê
được tiến hành dưới áp suất chân không cho đến khi hàm ẩm 0,6%. Sản phẩm thu
được ở dạng hạt có độ tinh khiết cao và có hàm lượng Biure nhỏ.
Theo phương pháp Toyo Koatsu (Nhật Bản) thì việc tác dụng tương tác của
NH3 và CO2 theo thông số kỹ thuật khác đi chút ít, áp suất 220 �230 at, nhiệt độ
180 �190 0C và tỷ số mol NH3 : CO2 = (3,5 �4,5) : 1. Khi ấy mức độ chuyển hóa
9


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

CO2 thành Urê là 58%. Urê chảy lỏng được đưa vào chưng luyện ở 17 atm và 2 �3
atm. Khác với phương pháp Montecatin là trong phương pháp này có một bộ phận
NH3 thoát ra ở cấp chưng luyện thứ nhất ở dạng chảy lỏng tinh khiết, được đưa
quay trở lại chu trình. Một bộ phận NH 3 khác và CO2 được đưa quay trở lại dung
dịch ở dạng các muối amoni. Thành phẩm được sản xuất không những ở dạng tinh
thể nhỏ mà còn ở dạng hạt.
Theo phương pháp STEMI CACBON thì q trình tuần hồn NH 3 và CO2
chưa phản ứng được thực hiện như phương pháp TOYO KOATSU. Quá trình tổng
hợp được tiến hành ở 175 �190 0C, áp suất 200 atm và tỷ số mol NH 3 : CO2 = 4,5 :
1. Mức chuyển hóa CO2 thành Urê là 62%. Quá trình chưng luyện Urê chảy lỏng
được tiến hành theo hai cấp ở các áp suất tương ứng 18 atm và 3 atm. Trước khi tạo
hạt kết tinh dung dịch được bốc hơi đến nồng độ 99,8% CO(NH 2)2 trong thiết bị
bốc hơi hai cấp. Quá trình bốc hơi tiến hành dưới áp suất chân khơng (ở cấp I áp
suất 300 mmHg, cấp II là 15 mmHg). Urê kỹ thuật thu được trực tiếp từ dung dịch
70 � 74% đã được chế biến trước bằng than hoạt tính nhằm cải thiện phẩm chất
của nó.
Ngày nay, hãng STEMI CACBON đã đưa một loạt những cải thiện vào

phương pháp này, điều đó đã cho phép hạ thấp hệ số tiêu hao và giá thành của sản
phẩm. Theo phương pháp mới quá trình tổng hợp Urê được tiến hành ở áp suất 130
atm, nhiệt độ 180 0C và tỷ số mol NH3 : CO2 = 4 : 1, nghĩa là giảm so với khi chưa
cải tiến. Urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra cùng với áp suất ấy được đưa vào tháp
thổi để phân hủy amoni cacbamat.
Amoni dư và sản phẩm phân hủy amoni cacbamat là NH 3 và CO2 dạng khí
được thổi khỏi dung dịch chảy lỏng nhờ vào CO 2 mới cung cấp vào tháp bằng máy
nén và chúng được quay trở lại tháp tổng hợp. Quá trình chưng luyện hai cấp dưới
áp suất được tiến hành tiếp theo. Nhiệt dư được tạo thành khi tổng hợp được sử
dụng để sản xuất hơi nước.
Hãng TOYO KOATSU đã đề ra phương pháp liên hợp sản xuất NH 3 và Urê hạ
thấp đến 6 � 7 % chi phí kinh doanh và 5 � 10% đầu tư cơ bản. Bản chất của
phương pháp là chế biến CO 2 từ khí thu được bởi khí metan và cacbon oxit thành

10


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

Urê. Hãng INVENTA đề ra phương pháp phân hủy amoni cacbamat một cấp tiến
hành ở 130 0C và áp suất 4 atm. Khi ấy việc tuần hồn đạt đến 99%.
Nhìn chung, hiện nay phương pháp tuần hoàn lỏng toàn bộ và chưng luyện hai
cấp được sử dụng rộng rãi nhất., với những ưu điểm nổi bật. Hiệu suất tổng hợp
Urê cao 65 �68%, hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao, định mức tiêu hao thấp. Dây
chuyền sản xuất khép kín, liên tục mà không cần thêm dây chuyền để sản xuất các
sản phẩm chứa amoni khác. Trong khuôn khổ trong cuốn đồ án này em được giao
thiết kế dây chuyền sản xuất phân xưởng tổng hợp Urê mà không sản xuất các sản
phẩm khác. Để tận dụng được toàn bộ nguyên liệu, tránh gây tổn thất, mất mát
nguyên liệu trong quá trình sản xuất nên trong cuốn đồ án em chọn dây chuyền sản
xuất Urê theo phương pháp tuần hoàn lỏng để lỏng để tính tốn.

2. Lựa chọn các điều kiện cơng nghệ:
Các tiêu chi cơng nghệ chính của tháp tổng hợp là, áp suất, nhiệt độ,tỷ lệ phân tử
NH3 : CO2, tỷ lệ H2O : CO2, trong nguyên liệu đưa vào tháp tổng hợp.
2.1.

Áp suất :

Trong thực tế sản xuất do thời gian vật liệu dừng trong thpá bị hạn chế, làm cho pha
lỏng và pha khí cũng như phản ứng của nguyên liệu phản ứng trước khi ra khỏi
tháp khơng thể đạt được trạng thái cân bằng hồn tồn,vì thế thường là trị số áp
st hơi nước của nguyên liệu trên đỉnh tháp tổng hợp sẽ cao áp suất khi đạt được
cân bằng. Mặt khác khí CO2 đưa vào tháp tổng khơng đạt được độ thuần 100%,
ngồi ra để tránh cho phần lót trong tháp khơng bị ăn mịn, người ta cịn đưa thêm
một phần khơng khí hoặc oxi, như thế sẽ làm cho áp suất ở đỉnh tháp tăng lên. Căn
cứ vào tình hình nêu trên, việc lựa chọn áp suất thao tác của tháp tổng phải lớn hơn
áp suất hơi nước của nguyên liệu trên đỉnh tháp như thế NH 3 dư và cacbamat trong
hỗn hợp bị phân giải trong pha lỏng. Nói chung áp suất thao tác tăng thì hiệu suất
chuyển hố tăng. Nhưng áp suất thao tác không thể tăng vô hạn, bởi suất sau khi
đã tăng tới mức nhất định nếu lại tăng tiếp thì hiệu suất chuyển hố tăng khơng
đáng kể. Mặt khác khi tăng áp suất thì tiêu hao động lực cũng tăng lên và yêu cấu
kết cấu đối với tháp tổng hợp cũng cao. Vì vậy việc lựa chọn áp suất thao tác được
lấy theo áp suất cân bằng của hỗn hợp ở đỉnh tháp làm chuẩn và cao hơn 20% tức là
196 ÷ 200 at
11


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

2.2 Nhiệt độ:

Nhiệt độ tháp tổng hợp tăng cao, thì tốc độ phản ứng tổng hợp tăng, hằng số cân
bằng của phản ứng của cacbamat thoát nước lớn, hiệu suất chuyển hoá tăng.
Nhưng khi thành phần nguyên liệu đưa cố định thì nhiệt độ cũng tăng lên đến một
nhất định cho hiệu suất chuyển hố tối đa sau đó sự chuyện hoá lại giảm xuống.
Điều chủ yếu là khi nhiệt độ tăng thì tốc độ ăn mịn lớp lót bên trong tháp tổng hợp
cũng tăng, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ ăn mòn vật liệu là rất rõ rang, khi
vượt quá nhiệt độ nào đó tốc độ ăn mịn của lớp lót sẽ tăng nhanh. Sự lựa chọn
nhiệt độ của tháp tổng hộp là lấy khả năng chịu ăn mịn của vật liệu làm nhân tố
chính ngồi tốc độ phản ứng để xem xét. Vì vậy chúng ta chọn nhiệt độ khoảng
188 ÷ 190 0C.
2.3. Tỷ lệ NH3 : CO2
Xét về lý thuyết trong điều kiện nhất định thì tỷ lệ NH 3 : CO2 lớn thì hiệu suất
chuyển hoá cao và lượng Urê tạo ra cũng cao.Nếu tỷ lệ NH 3 : CO2 lớn quá làm cho
thời gian vật liệu dừng lại trong tháp ruát ngắn sẽ dẫn đến hiệu suất chuyển hố
giảm đi, cịn áp suất cân bằng của dung dịch trong tháp sẽ tăng cao khi NH 3:CO2
lớn quá làm cho hệ thống thu hồi cồng kềnh. Việc lựa chọn tỷ lệ NH #:CO2 cịn phải
tính đến sự cân bằng nhiệt ở nhiệt độ tốt nhất của tháp tổng hợp. Thực tế sản xuất
người ta thường chọn tỷ lệ NH 3/CO2 = 4 ÷ 5, khi có nhiều lượng NH 3 dư sẽ sớm
xuất dịch lỏng và giảm khả năng tạo Biure.
2.4. Tỷ lệ H2O : CO2
Việc tăng tỷ lệ H2O : CO2 sẽ có tác dụng khơng tốt đối với phản ứng tổng hợp Urê,
xét về cân bằng hố học thì có lợi cho phản ứng loại nước khỏi cacbamat để tạo
thành Urê, mà lại có lợi cho việc thuỷ phân Urê. Nếu nhiệt độ của tháp tổng hợp ở
188 0C thì tỷ lệ H2O : CO2 cứ tăng lên 0,1 thì hiệu suất chuyển hoá sẽ giảm đi 1%,
như vậy làm cho chất chưa phản ứng tăng lên, dẫn đến tỷ lệ đó trong nguyên liệu
đưa vào tăng cao, hiệu suất chuyển hố càng giảm. Tỷ lệ đó trong ngun liệu đưa
vào được quyết định bởi lượng nước dung dịch cacbamat đưa vào , và thường lấy
tỷ lệ H2O : CO2 = 0,6 ÷ 0,8.

12

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

PHẦN III
CƠ SỞ HOÁ LÝ TỔNG HỢP URÊ TỪ AMONIAC LỎNG VÀ
KHÍ CACBONIC
Tổng hợp Urê từ khí CO2 và NH3 lỏng được tiến hành qua hai giai đoạn nối
tiếp nhau:
-

Tác dụng của CO2 và NH3

-

Chưng cất sản phẩm tổng hợp và chế biến dung dịch Urê thành sản phẩm.

Khi tổng hợp Urê những phản ứng thuận nghịch xảy ra kế tiếp nhau, đầu tiên thu
được amoni cacbamat
2NH3 + CO2  NH2COONH4 + 38 kcal
Sau đó, amoni cacbamat giải phóng nước và chuyển thành Urê
NH2COONH4  (NH2)2CO + H2O – 6,8 kcal
Quá trình tiến hành với sự tạo thành của hai pha:
-

Pha khí gồm: NH3, CO2 và hơi nước.

-

Pha lỏng gồm: các muối chảy lỏng của amoni cacbamat, Urê và nước

Urê chỉ bền vững trong dung dịch nước ở nhiệt độ nhỏ hơn 80 oC, khi cao hơn
nhiệt độ này Urê sẽ bị hydrat hóa và chuyển thành amoni cacbamat
(NH2)2CO + H2O  NH2COONH4 – Q
Trong dung dịch lỗng thì amoni cacbamat hầu như bị chuyển hoàn toàn thành
cacbonat. Nhiệt độ nóng chảy của cacbamat nguyên chất là 152 � 155oC. Khi có
mặt các muối cacbonat thì nhiệt độ nóng chảy của cacbamat giảm

Hình 1. Giản đồ tan của hệ H2O – NH2COONH4

13


Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
152

0

( C)
140

Amonicacbamat
100

60

(NH4)2CO3.2NH4HCO3

20

0

Amonicabonat
0

20

40

60

80

100

NH4COONH2 ( %KL)

Urê được tạo thành chỉ trong pha lỏng, bởi vì amoni cacbamat rắn khi đun
nóng giải phóng nước rất chậm.

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

NH 3 Z
D
90

10

80

20

70

30

60

40

50

50

40
30

60
1190

C

0

120

0

80
0

100

(NH2) CO
2

X

E

90 80 70

90

A

M

40 30 20 10

Y

NH4COONH2

Trên đó giới hạn trường kết tinh (NH 2)2CO, NH2COONH4 và NH3. Đồng thời
khu vực phân lớp, trong đó gồm hai chất lỏng ba cấu tử, điểm thành phần của các
chất lỏng ấy trên giao điểm của đường đẳng nhiệt, tương ứng với đường cong giới
hạn khu phân lớp. Giản đồ chia làm 3 trường kết tỉnh được giới hạn bởi các đường
EC, ED, EA. Các điểm trên đường cong giới hạn giữa các trường kết tinh, biểu diễn
thành phần dung dịch bão hòa của hai muối tương ứng. Điểm E biểu diễn thành
phần dung dịch bão hịa của 3 muối. Với q trình tổng hợp Urê khu vực có muối

14


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

cacbamat chảy lỏng là quan trọng nhất. Điểm M ở trên giản đồ ứng với 34%
(NH2)2CO và 66% NH2COONH4 với nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp là 120 0C,
nếu thêm NH3 lỏng vào hỗn hợp thì thành phần của nó sẽ biến đổi theo đường MZ,
khi đó tỷ số giữa hai cấu tử (NH2)2CO : NH2COONH4 là không đổi, cịn lượng NH3
tăng sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của cacbamat, làm tăng vùng lỏng của amoni
cacbamat. Độ tan của amoni cacbamat trong NH 3 là không đáng kể. Nhưng khi có
mặt Urê thì độ tan của nó tăng khá nhanh, điều đó cũng có ý nghĩa quan trọng trong
quá trình tổng hợp Urê. Như vậy, việc tăng lượng ammoniac cho quá trình tổng hợp
Urê sẽ thúc đẩy sự chảy lỏng của cacbamat amon, nghĩa là tăng lượng pha lỏng và
do đó hiệu suất tổng hợp sẽ tăng.

1. Cân bằng phản ứng tổng hợp Urê
Theo cơ sở trên, phản ứng tổng hợp Urê được tiến hành trong pha lỏng với
hợp chất trung gian là amoni cacbamat. Phản ứng giải phóng nước của amoni
cacbamat (giai đoạn II của q trình) là chậm nhất, quyết định tốc độ tồn bộ q
trình
NH2COONH4  (NH2)2CO + H2O – Q
Hằng số cân bằng của phản ứng:
K=

[( NH 2 ) 2 CO ] x [ H 2 O]
[ NH 2 COONH 4 ]

Giả sử ban đầu có 1 mol NH2COONH4
Khi cân bằng có x mol Cacbamat được chuyển hố thành Urê, thì tại thời

điểm cân bằng:
NH2COONH4

1 - x (mol)

(NH2)2CO
H2O
Tổng số mol

:

Hằng số cân bằng:

x

(mol)

x

(mol)

1 + x (mol)
x
x
*
1 x 1 x
Kn 
1 x
1 x

15


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

Biểu thức tính hằng số cân bằng chỉ đúng khi phản ứng thực hiện đúng theo hệ
số tỷ lượng của phản ứng ban đầu. Nghĩa là tỷ số mol NH 3/CO2 = 2. Cịn khi có
lượng dư Amoniac và H20 đưa vào thì cơng thức trên khơng cịn phù hợp. Nếu xét
tổng quát quá trình:
2NH3 + CO2

 (NH2)2CO + H2O + Q

Hằng số cân bằng :

 (NH 2 ) 2 CO  x  H 2 O
 NH 3  2 x  CO2 

K

Giả sử CO2 đưa vào là

1 mol

NH3 đưa vào là

a mol ( a ≥ 1)

H2O đưa vào là

b mol

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

1– x

NH3

a - 2x mol

(NH2)2CO
H2O

mol

x mol
b + x mol

Khi đó hằng số cân bằng được tính :
x
x b
*
1 a  b  x 1 a  b  x
K
a  2x
b x
*
1 a  b  x 1 a  b  x

Công thức này phù hợp cho điều kiện thực nghiệm, khi thực hiện ở điều kiện
nhiệt độ ≤ 1900C và nó đúng trong trường hợp dư Amoniac khơng lớn lắm khi tăng
lượng dư ammoniac thí sự chênh lệch trong thực tế sẽ tăng lên.

2. Động học quá trình tổng hợp Urê
Như trên đã trình bày, quá trình tạo Urê từ NH 3 lỏng và khí CO2 gồm 2 giai
đoạn:
-

Giai đoạn 1: phản ứng tạo amoni cacbamat
2NH3 + CO2  NH2COONH4 + Q1

(1)

16


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

-

Giai đoạn 2: phân hủy amoni cacbamat tạo Urê
NH2COONH4  NH2CONH2 + Q2

(2)

Qua nghiên cứu người ta nhận thấy giai đoạn 2 là giai đoạn quyết định tốc độ
phản ứng.
Gọi k1 là hằng số của phản ứng thuận của (2) và k 2 là hằng số tốc độ phản ứng

nghịch của (2).
Phương trình tốc độ của phản ứng (2) :
dx
 k1 �(a  x )  k 2 �x 2
dt

Trong đó a – nồng độ amoni cacbamat ban đầu
x – nồng độ amoni cacbamat sau phản ứng
t – thời gian phản ứng
Lượng dư NH3 trong hỗn hợp phản ứng sẽ tác dụng với lượng nước sinh ra,
nên tốc độ phản ứng nghịch sẽ giảm và hiệu suất tạo thành Urê sẽ tăng. Do đó,
phương trình tốc độ phản ứng là:
x
 k1 �(a  x )  k 2 �x �x '


với x’ là hệ số hoạt tính của H2O.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp.
3.1. Ảnh hưởng của áp suất:
Trong quá trình tổng hợp Urê áp suất không phải là một biến số độc lập mà nó phụ
thuộc vào nhiệt độ và thành phần nguyên liệu ban đầu đưa vào tháp
Amoni cacbamat có áp suất hơi cao, do đó mà tổng hợp Urê phải được thực
hiện dưới áp suất lớn P = 200 � 300 atm.Nếu thấp hơn áp suất cân bằng khơng
những làm NH3 thốt ra làm Amoniac dư trong pha lỏng giảm thấp đồng thời có
khả năng làm cho cacbamat amon bị phân giải từ đó làm giảm hiệu suất chuyển hố
CO2

17

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

Hình 3: Áp suất hơi cân bằng trên Urê chảy lỏng, thu được khi quan hệ theo
tỷ lệ NH3 : CO2 = 2

( C) 500
0

2

400

3

300
1

4

200
100
0
100

150

200

250

(atm)

Áp suất hơi trên Urê chảy lỏng phụ thuộc không chỉ vào nhiệt độ chảy lỏng,
mà còn cả quan hệ giữa cấu tử NH 3 và CO2 trong hỗn hợp đầu. Nó sẽ tăng đột biến
khi tăng hàm lượng CO2 trong hỗn hợp ban đầu vượt qua tính tốn lý thuyết. Cịn
khi dư NH3 khơng dẫn đến việc tăng áp suất mạnh như thế.
Tốc độ tạo thành amoni cacbamat tăng lên gần như tỷ lệ với bình phương của
áp suất. Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ không cao việc tạo thành amoni cacbamat
tiến hành rất chậm, cịn ở 100 atm và 150 oC thì phản ứng xảy ra tức thời.
Mặt khác theo phương trình tổng quát tổng hợp Urê:
2NH3

+

CO2  (NH2)2CO + H2O + Q

Đây là phản ứng toả nhiệt giảm thể tích nên theo nguyên lý chuyển dịch cân
bằng thì khi áp suất tăng thì phản ứng xảy ra theo chiều thuận tạo thành Urê như
vậy hiệu suất chuyển hoá sẽ tăng.
Để đảm bảo cho quá trình tổng hợp Urê thì áp suất trong tháp phải lớn hơn áp
suất cân bằng trên bề mặt Amoni Cacbamat chảy lỏng. Áp suất của Amoni
Cacbamat chảy lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ:
t

(0C)

Phơi (atm)

77,6

98,5 114,5 130,2

152

183

197

2,98

8,42

83,3

150,4

259,9

18,7

38,4

18


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

Tuy nhiên áp suất khơng thể tăng vơ hạn vì khi đo chế tạo thiết bị sẽ tốn kém
nên thường chọn áp suất tổng hợp là 200at

3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Mặc dù Urê được tạo thành từ amoni cacbamat chảy lỏng, nhưng quá trình ấy
lại được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chảy lỏng của amoni cacbamat sạch,
bởi vì tùy theo việc đun nóng amoni cacbamat sẽ giải phóng nước và tạo thành Urê.
Chính lượng nước đó sẽ làm hạ thấp nhiệt độ nóng chảy của amoni cacbamat. Nhiệt
độ nóng chảy của amoni cacbamat cũng giảm rất nhanh khi có mặt Urê.
Mặt khác dưới tác dụng của nước một bộ phận cacbamat cũng chuyển thành
amoni cacbonat và sau đó tạo thành Bi cacbonat, những chất đó cũng làm hạ thấp
nhiệt độ chảy lỏng của amoni cacbamat.
Hình 4: Giản đồ chảy lỏng của hệ NH2COONH4 – (NH2)2CO
(NH2) CO

0

( C) 152

2

140
132
120
110
100
98
0
20

40

60

80

100

Trên giản đồ thấy nhiệt độ nóng chảy của NH2COONH4 bị giảm rất nhanh khi
có mặt (NH2)2CO. Hỗn hợp eutectic gồm 51% NH2COONH4 và 49% (NH2)2CO bị
chảy lỏng ở 98oC.
Khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp thì tốc độ phản ứng xảy ra chậm hơn,
động lực của phản ứng giảm. Để đảm bảo cho quá trình tổng hợp thì phải ln giữ
nhiệt độ của khối phản ứng lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của amoni cacbamat. Do

19


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

vậy khi tổng hợp Urê ở nhiệt độ từ 180 �200oC để đảm bảo hiệu suất phản ứng,
cân bằng và động lực q trình mà khơng ảnh hưởng đến ăn mòn thiết bị.

3.3. Ảnh hưởng của độ chứa đầy
Độ chứa đầy là lượng nguyên liệu chứa trong một đơn vị thể tích thiết bị 
(g/cm3)



(g/cm3) trong đó
v

 - lượng ngun liệu chứa trong tháp (g)

v – thể tích thiết bị phản ứng (cm3)
Hình 5
(Kg/cm )
2

T

1

T

2

T

3

500
300

100
(g/m )
3

50

10

0,5

Độ chứa đầy lớn thì hiệu suất chuyển hóa Urê cao (khơng kể lượng NH 3 dư
nhiều hay ít). Độ chứa đầy lớn thì áp suất cân bằng cũng lớn theo. Khi  tăng thì
thành phần thể tích của các cấu tử trong pha lỏng sẽ tăng, do đó sẽ thúc đẩy phản
ứng tạo thành Urê.

3.4. Quan hệ giữa thời gian đun nóng và nhiệt độ với tốc độ tạo
thành Urê, hiệu suất Urê:
Sự phụ thuộc hiệu suất Urê vào thời gian khử amoni cacbamat ở các nhiệt độ
khác nhau, được chỉ ra ở hình 6.

20


Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê
0,6
0

200

0,5

0

160

0,4

155

0

0

180

0,3
145

0

0,2
0

140

0,1
0
20 40 60

2

3

4

5

Tốc độ tạo thành Urê và hiệu suất Urê càng cao khi nhiệt độ càng lớn. Cao

hơn 180oC các đường cong hiệu suất đi qua cực đại, nghĩa là kéo dài thời gian đun
nóng hỗn hợp phản ứng thì mức độ chuyển cacbamat thành Urê bị giảm. Điều đó
được giải thích do những phản ứng phụ tiến hành mạnh mẽ. Ngồi ra trên 200 oC
việc ăn mịn thiết bị tiến hành mạnh mẽ.

3.5. Ảnh hưởng của nước sinh ra trong quá trình tổng hợp
Nước tạo thành ở lúc bắt đầu quá trình sẽ làm tăng mức độ chuyển hóa amoni
cacbamat thành Urê bởi vì nó tạo điều kiện cho sự xuất hiện pha lỏng. Nhưng tủy
theo mức độ tích luỹ nước mà phản ứng bị chậm lại. Cân bằng được xác lập thì việc
tăng lượng nước về sau sẽ ảnh hưởng ngược lại q trình.

(HiƯu st Ure %)

Hình 7 :
44
40
36
32
28
24
20

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

21


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

Lượng nước sinh thành được tác dụng với lượng amoniac dư và tạo thành
NH4OH và do đó cân bằng bị phá vỡ và việc tạo thành Urê tiếp tục xảy ra. Tuy vậy,
do việc tạo thành NH4OH nên tỷ lệ NH3/CO2 giảm và hiệu suất cân bằng giảm. Một
nguyên nhân nữa là do một phần amon cacbamat tác dụng với nước tạo sản phẩm
phụ amoni cacbonat và Bi-cacbonat.

3.6. Ảnh hưởng của CO2 đến hiệu suất Urê
Lượng CO2 dư hầu như không ảnh hưởng đến hiệu suất Urê, nhưng nồng độ
của nó trong khí ban đầu lại có ý nghĩa rất lớn. Nồng độ càng cao thì mức độ

(%)

chuyển hóa càng lớn.

60

50

40

30
140

210

(atm)
280

3.7. Ảnh hưởng của lượng NH3 dư đến hiệu suất Urê
Ảnh hưởng lớn nhất đối với việc tăng hiệu suất Urê là lượng NH 3 dư trong
hỗn hợp ban đầu với lượng tính tốn lý thuyết. Amoniac dư làm giảm tác dụng có
hại của nước tách ra trong q trình. Ngồi ra NH 3 dư làm giảm ăn mịn thiết bị.
Ảnh hưởng của NH3 đến hiệu suất cân bằng của Urê được thể hiện ở hình 9

Hình 9

22


(HiÖu suÊt Ure %)

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

80

70

60

50
2

3

4

5

6

NH3 :CO2

Tuy vậy không thể tăng lượng NH3 dư quá lớn, khi đó hiệu suất tổng hợp Urê sẽ
giảm, lượng NH3 dư nhiều làm cho định mức tiêu hao tăng và làm năng suất thiết bị
giảm. Tỷ lệ NH3/CO2 ban đầu có ảnh hưởng đến định mức tiêu hao năng lượng
trong quá trình tổng hợp Urê.
Qua thực nghiệm, người ta thấy rằng tỷ lệ mol NH 3/CO2 = (4,5 � 5) : 1 là
thích hợp nhất.

23


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

PHẦN IV. ĐIỀU KIỆN TỔNG HỢP URÊ
TRONG CƠNG NGHIỆP
Q trình tổng hợp Urê trong công nghiệp yêu cầu về chất lượng ngun liệu:
khí CO2 có nồng độ �98% và NH3 lỏng có nồng độ �99%. Độ thuần của nguyên
liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tổng hợp, đến hiệu suất tạo thành Urê. Độ

thuần mà thấp thì hiệu suất tổng hợp Urê thấp. Trong CO 2 có một lượng nhỏ H2S,
khí này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Do đó, yêu cầu hàm lượng
H2S trong khí ngun liệu �5 mg/Nm3 khí.
Trong q trình tổng hợp Urê, để giảm tốc độ ăn mòn thiết bị do hỗn hợp phản
ứng, người ta tạo một lớp oxit trên bề mặt thiết bị. Tạo lớp oxit bằng cách đưa vào
một lượng O2 theo đường khí nguyên liệu với hàm lượng O 2 bằng khoảng 0,5 �1%
thể tích CO2.
Sản xuất Urê bằng phương pháp tuần hồn lỏng tồn bộ, thì lượng nước đưa
vào tháp tổng hợp cùng với dung dịch amoni. Tổng lượng nước đưa vào tháp tổng
hợp là 6 �13%. Tỷ lệ phối liệu đưa vào tháp:
NH3 : CO2 : H2O = (4,5 �5) : 1 : (0,5 �1)
Điều kiện công nghệ tổng hợp Urê là nhiệt độ cao và áp suất cao. Quá trình
phát sinh là phát sinh nhiệt. Lượng nhiệt này được dùng để gia nhiệt cho dịch tuần
hồn lại tháp tổng hợp.
Trong q trình tổng hợp nhiệt độ khoảng 180 � 200oC. Nhiệt độ có ảnh
hưởng nhiều đến quá trình tổng hợp cân bằng, tốc độ phản ứng, ăn mịn thiết bị…
Do đó cần khống chế nhiệt độ làm việc ở nhiệt độ thích hợp đối với thừng phương
pháp sản xuất
Thời gian lưu lại của hỗn hợp phản ứng trong tháp tổng hợp ở điều kiện 200
atm và 190oC khoảng từ 45 � 60 phút, đảm bảo mức độ chuyển hóa amoni
cacbamat thành Urê lớn nhất và hạn chế phân ứng phụ.

24


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

PHẦN V. THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT URÊ
TỪ AMONIAC LỎNG VÀ CACBON DIOXIT KHÍ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TUẦN HỒN LỎNG TỒN BỘ

NH3 lỏng có áp suất 19,5 � 20,0 at, nhiệt độ từ 20 �30oC được đưa vào bộ
lọc cơ học (3) để loại những tạp chất rồi vào thùng chứa NH 3 (11), thùng chứa luôn
giữ mức dịch diện bằng khoảng 2/3 chiều cao thùng. Từ thùng chứa này, NH 3 được
dẫn đến bơm NH3 piston cao áp (14) nâng áp suất lên 200 at, đi qua thiết bị gia
nhiệt (5), nâng nhiệt độ lên 45 �50oC rồi đưa vào tháp tổng hợp (7).
Khí CO2 có chất lượng như sau: CO 2 �98%, H2S �20 mg/Nm3, áp suất 300
�600 mmH2O, nhiệt độ từ 30 �40oC. Khí CO2 trước khi vào máy nén (1) được bổ
sung một lượng khơng khí để khống chế nồng độ O 2/CO2 = 0,5% thể tích, được nén
qua các đoạn I, II và III nâng lên áp suất P = 33,6 at, được đưa sang tháp khử khí
H2S (2), ra tháp khử đảm bảo hàm lượng H 2S � 5 mg/Nm3 tiếp tục đưa vào đoạn
IV, đoạn V nâng áp suất khí lên 200 at và nhiệt độ xấp xỉ 110 oC, đưa sang tháp tổng
hợp.
Tại tháp tổng hợp xảy ra phản ứng tổng hợp tạo Urê, ở điều kiện P = 200 at và
nhiệt độ 188 � 190oC. Hiệu suất chuyển hóa là 65 � 68%, thời gian lưu lại của
nguyên liệu từ 45 �60 phút tùy theo phụ tải. Dung dịch ra khỏi tháp tổng hợp (4)
gồm có Urê, cacbamat, NH3 tự do và nước, qua van tiết lưu giảm áp suất xuống còn
16,5 �17 at, nhiệt độ khoảng 120oC đưa vào thiết bị chưng luyện cấp I (6). Ở đây
được phân ly thành 2 pha:
-Phần khí được tách ra được đưa đi gia nhiệt cho phần dưới của thiết bị cô đặc
cấp I (29). Hơi ra khỏi thiết bị cô đặc cấp I, được đưa vào từ đáy của thiết bị hấp
thụ đoạn I (13).
-

Phần dịch được đưa qua thiết bị gia nhiệt (7) rồi đi vào thiết bị phân ly
đoạn I (7). Tại đây xảy ra quá trình phân giải cacbamat amoni thành NH 3
và CO2.

Phần khí được tách ra có nhiệt độ cao, được đưa quay trở lại thiết bị phân giải
đoạn I (6), trợ nhiệt cho dung dịch đưa từ tháp tổng hợp sang, rồi cùng với khí tách
ra ở đây đưa sang gia nhiệt cho cô đặc đoạn I (29).

Dịch ra ở thiết bi phân ly (8) đưa qua van tiết lưu lần thứ hai, áp suất giảm
xuống còn 2,5 �3,5 at, nhiệt độ từ 110 �120oC đưa sang phân giải đoạn II (16). Ở
phần trên khí được tách ra, bay lên đỉnh thiết bị, dịch qua van tiết lưu lần nữa, giảm
áp suất đến áp suất thường rồi đưa vào thiết bị bốc hơi nhanh (27). Dịch Urê được
đưa vào cô đặc đoạn I (29), phần dưới được gia nhiệt bằng khí từ chưng luyện (6)
đến, cịn phần trên dùng hơi nước 12,7 at tăng nhiệt độ dung dịch Urê lên 120 �
130oC, qua bốc hơi chân không (31) loại bỏ phần lớn hơi nước. Dịch tiếp tục được
đưa qua cô đặc đoạn II (30), rồi vào phân ly cô đặc đoạn II, dịch Urê thu được ở
đây đạt nồng độ đến 99,5% xuống bơm Urê đậm đặc (34), đưa lên đỉnh tháp (41).
Nhờ vòi phun tạo hạt, hạt Urê rơi từ đỉnh tháp xuống, ở đỉnh tháp có lắp hai quạt
25