zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Báo cáo khoa học

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

Chia sẻ: Nguyễn Thành Chung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:182

Báo xấu

391
lượt xem 54
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện nay ở nước ta năng lực sản xuất phân bón phục vụ nông nghiệp của nhà máy vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sản xuất nông nghiệp trong nước.Do đó hàng năm nước ta vẫn phải nhập khẩu một lượng khá lớn phân bón nông nghiệp của nước ngoài. Xuất phát từ thực tế đó mà "Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê" đã được thực hiện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê MỞ ĐẦU Trong công nghiệp việc sản xuất Urê bằng phương pháp tổng hợp từ ammoniac và khí cacbonic được thực hiện vào năm 1868 do A.I Badarôp đưa ra. Urê là loại phân đạm chứa nhiều hàm lượng Nitơ nhất (46%), có tác dụng tốt đối với việc nâng cao năng suất chất lượng sản phẩm cây trồng. Urê không chỉ được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp mà nó còn được ứng dụng trong nhiều nghành công nghiệp khác như: Công nghiệp sản xuất nhựa, tổng hợp keo,.., Ngoài ra Urê có cũng được sử dụng rộng rãi trong nghành công nghiệp dược phẩm và sản xuất sợi. Nước ta là một nước nông nghiệp, trên 70% dân số sống bằng nghề nông.Vì vậy nông nghiệp là một nghành quan trọng cần được đầu tư phát triển để đảm bảo vấn đề an ninh lương thực, và trở thành một cường quốc xuất khẩu lương thực, do đó phân bón phục vụ nông nghiệp là rất quan trọng và cần thiết. Nhu cầu phân bón ở nước ta hiện nay ước tính khoảng 3500000 tấn/năm. (Theo www.cuctt.mard.gov.vn thống kê năm 2006). Để đạt được mục tiêu đó thì việc nghiên cứu tìm ra các loại phân bón mới có tác dụng nâng cao nâng suất chất lượng sản phẩm cây trồng và giá thành rẻ là điều rất cần thiết. Đồng thời cũng phải nghiên cứu các biện pháp cải tiến công nghệ, thiết bị cũng như việc đầu tư thay thế các dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng cao năng suất chất lượng và hạ giá thành sản phẩm. Hiện nay ở nước ta năng lực sản xuất phân bón phục vụ nông nghiệp của nhà máy vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sản xuất nông nghiệp trong nước.Do đó hàng năm nước ta vẫn phải nhập khẩu một lượng khá lớn phân bón nông nghiệp của nước ngoài. Nguyên liệu để sản xuất Urê là từ NH3 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 công nghệ tuần hoàn lỏng toàn bộ cho quá trình tổng hợp Urê. Phần tính toán thiết kế Xưởng sản xuất Urê dưới đây, được trình bày dựa trên dây chuyền của Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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. NGUYÊN LIỆU. 1. Đioxit Cacbon: Công thức hoá học : CO2 Khối lượng phân tử : 44 (Đ.V.C) Ở điều kiện thường điôxit cacbon là chất khí không màu. Ở 0 C0 khi nén đến áp suất 35,5 atm thì điôxit cacbon sẽ hoá lỏng. Chất lỏng không màu. Tiếp tục hạ nhiệt độ nó tạo băng CO2 trắng. Trong sản xuât Ure, nguốn nguyên liệu CO2 thường được sản xuất từ than, khí thiên nhiên…Để đạt được yêu cầu về độ sạch của CO2, khí sau khi sản xuất được tinh chế và làm sạch. Trong thành phần khí theo CO2 vào tháp tổng hợp Ure người ta quan tâm nhất là hàm lượng khí H2S vì nó gây ăn mòn thiết bị rất mạnh và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Trong thành phần khí ngoài ra còn có các khí khác như N2, H2…Hiện nay ở công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc CO2 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 không màu, có mùi khai và xốc. Một số hằng số hoá lý cơ bản của Ammoniac: Nhiệt độ sôi : 33,75 oC Nhiệt độ nóng chảy : 77,75 oC Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 2
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Nhiệt độ kết tinh : 132,4 oC Thể tích phân tử ( 0 oC, 760 atm ) : 22,081 lít 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 ngoài trời 1 lít nước hoà tan gần 750 lít NH3 khí. Ở nhiệt độ thường NH3 rất ổn định, ở nhiệt độ cao 1200 oC thì bị phân huỷ. Trong sản xuất Ure, Ammoniac được điều chế từ N2 , 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 hoà tan khác. Trong sản xuất Ure thì yêu cầu về nguồn nguyên liệu NH3 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 nguyên liệu là khí đồng hành có thể dùng sản xuất khí nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Urê.Nếu sử dụng nguồn nguyên liệu là khí đồng hành cho việc sản xuất nguyên liệu tổng hợp Urê thì chi phí đầu tư sẽ giảm so với dây chuyền sản xuất Urê từ khí nguyên liệu được sản xuất từ than. Xét tình hình cụ thể ở nước ta hiện nay để sản xuất Urê sử dụng nguyên liệu là than vẫn có hiệu quả tương đối cao bởi một số điều kiện sau: + Khí sản xuất khí nguyên liệu thì tiêu thụ một lượng than rất lớn nên giải quyết được tình trạng trì trệ của nghành than hiện nay do tạo được công ăn việc làm và thu nhập ổn định cho người lao động ngành than. + Là cơ sở để xây dựng một liên hợp sản xuất nhiều mặt hàng phân bón và hoá chất như Urê, NPK, SODA, DAP, H2SO4,.., 3. Yêu cầu về nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Urê. a. Yêu cầu về NH3: Nguyên liệu dùng trong sản xuất Urê là NH3 lỏng, lượng nước dầu và khí trơ hoà tan trong NH3 lỏng càng ít càng tốt.Hàm lượng NH3 trong Amoniac lỏng nói chung không nhỏ hơn 99,8%. Hàm lượng khí trơ hoà tan trong NH 3 phải thật nhỏ.Nếu trong NH3 có hoà 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 3
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 NH3, 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; 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
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 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 NH3 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 nông nghiệp: Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 5
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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. Urê là thành phần chính của phân hóa học Urê và được dùng để bổ sung thức ăn cho động vật, nó cung cấp một nguồn đạm cố định tương đối rẻ tiền để giúp cho sự tăng trưởng. Được sử dụng để thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay sương muối của lòng đường hay đường băng sân bay. Nó không gây hiện tượng ăn mòn như muối. Urê là một thành phần bổ sung cho thuốc lá để thêm hương vị. Urê là thành phần của dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước thơm. c. Trong phòng thí nghiệm: Urê là chất biến tính protein mạnh. Thuộc tính này được sử dụng để làm tăng độ hòa tan của một số protein. Vì tính chất này nó được sử dụng trong các dung dịch đặc tới 10M. d. Trong y học: Urê được sử dụng trong các sản phẩm da liễu để giúp cho quá trình tái hydrat hóa của da. Urê được sản xuất và bài tiết khỏi cơ thể với một tốc độ gần như không đổi, nồng độ Urê trong máu chỉ ra vấn đề với sự bài tiết nó hoặc trong một số trường hợp nào đó là sự sản xuất quá nhiều Urê trong cơ thể.( Theo www. wikipedia.org) Nồng độ Urê cao trong cơ thể có thể sinh ra các rối loạn thần kinh. Thời gian dài bị Uremia có thể làm đổi màu da sang màu xám. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 6
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Tóm lại Urê có vai trò to lớn trong rất nhiều nghành và trong đời sống con người, trong đó nhấn mạnh đến vai trò là phân bón trong sản xuất nông nghiệp. Vì vậy nghiên cứu, thiết kế dây chuyền sản xuất Urê có ý nghĩa rất quan trọng. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 7
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 không tuần hoàn NH3 dư: Trong dây chuyền sản xuất phâm đạm Urê khi thực hiện quá trình không tuần hoàn amoniac dư người ta dùng nó để chế biến các sản phẩm phụ khác như: amoni nitrat, amoni sunfat, các muối amoni khác hoặc NH3 lỏng. Nếu tiến hành sản xuất Urê theo phương pháp này ta có thể kết hợp để sản xuất các sản phẩm khác, khi đó lại cần phải có chi phí đầu tư cho các dây chuyền sản đó. 2. Phương pháp bán tuần hoàn: Trong phương pháp có tuần hoàn amoniac chưa bị chuyển hóa thành Urê thì người ta tách nó khỏi khí chưng luyện Urê chảy lỏng và cho quay trở lại chu trình. Việc chưng luyện có thể tiến hành một cấp hay hai cấp. Khi chưng luyện một cấp, Urê chảy lỏng từ tháp tổng hợp ra được tiết lưu đến 1,2 at và được đưa vào chưng luyện ở 70 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 8
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê NH3 chưng cấp ở cấp I của chưng luyện và lượng NH 3 được chế biến thành NH4NO3 bị giảm. Điều đó cho phép sử dụng lượng NH 3 dư trong quá trình tổng hợp lớn hơn so với chưng luyện một cấp. Khí sau khi chưng luyện hai cấp là CO2, NH3 và hơi nước có thể đem đi chế biến thành amoni nitrat hoặc muối amoni quay lại quá trình. 3. Phương pháp tuần hoàn lỏng: So với các phương pháp khác thì phương pháp sản xuất Urê cùng với sự quay trở lại toàn bộ các khí chưng luyện chưa hấp thụ ở dạng lỏng được sử dụng phổ biến hiện nay trong công nghệ sản xuất Urê. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này so với các phương pháp khác ở chỗ lưu trình đơn giản thiết bị chắc chắn đáng tin cậy, định mức tiêu hao có thể giảm tới mức tối thiểu. Hiện nay tồn tại một số phương pháp tái sinh khí chưng luyện nhằm tuần hoàn chúng: 1 Ép nóng 2 Hấp thụ các khí bằng dầu khoáng 3 Hấp thụ chọn lọc NH3 và CO2 (tuần hoàn 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 NH3 và CO2 được nén ở 175 210 C, nghĩa là những điều kiện loại trừ sự tạo thành amoni cacbamat rắn. Phương 0 pháp này chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì những khó khăn sinh ra khi nén hỗn hợp khí ở nhiệt độ cao và ít kinh tế mặc dù là sử dụng NH 3 cao đến 93%. Hãng CHEMICO của Mỹ đề ra tuần hoàn NH 3 và 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. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 9
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Khi hấp thụ NH3 và CO2 bằng dầu khoáng trơ thì huyền phù amoni cacbamat được tạo thành đi vào tháp tổng hợp. Quá trình tổng hợp được tiến hành ở 210 at và 180 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 NH3 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 hoặc sử dụng lại chu trình. Hấp thụ chọn lọc khí CO2 từ khí chưng luyện (phương pháp CHEMICO) là một ví dụ khác, theo phương pháp này thì quá trình tổng hợp được tiến hành ở 170 atm và 175 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 CO2 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 hoàn 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 quá trình có thể được thực hiện với sự tuần hoàn một bộ phận hoặc toàn bộ khí chưng luyện trở lại chu trình. Những phương pháp thực hiện tuần hoàn NH3 và CO2 trở lại chu trình ở dạng dung dịch các muối amoni (tuần hoàn lỏng) là phương pháp triển vọng nhất vì tính kinh tế của nó. Gần đây nhiều hãng sản xuất tiến hành làm việc theo sự cải tiến của phương pháp này. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 10
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 toàn bộ trở lại chu trình ở dạng dung dịch các muối amoni. Quá trình bốc hơi dung dịch Urê được tiến hành dưới áp suất chân không cho đến khi hàm ẩm 0,6%. Sản phẩm thu được ở dạng hạt có độ tinh khiết cao và có hàm lượng Biure nhỏ. Theo phương pháp Toyo Koatsu (Nhật Bản) thì việc tác dụng tương tác của 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 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 NH3 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 quá trình tuần hoàn NH3 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(NH2)2 trong thiết bị bốc hơi hai cấp. Quá trình bốc hơi tiến hành dưới áp suất chân không (ở cấp I áp suất 300 mmHg, cấp II là 15 mmHg). Urê kỹ thuật thu được trực tiếp từ dung dịch 70 74% đã được chế biến trước bằng than hoạt tính nhằm cải thiện phẩm chất của nó. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 11
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 NH3 và CO2 dạng khí được thổi khỏi dung dịch chảy lỏng nhờ vào CO2 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 NH3 và Urê hạ thấp đến 6 7 % chi phí kinh doanh và 5 10% đầu tư cơ bản. Bản chất của phương pháp là chế biến CO 2 từ khí thu được bởi khí metan và cacbon oxit thành Urê. Hãng INVENTA đề ra phương pháp phân hủy amoni cacbamat một cấp tiến hành ở 130 0C và áp suất 4 atm. Khi ấy việc tuần hoàn đạt đến 99%. Nhìn chung, hiện nay phương pháp tuần hoàn lỏng toàn bộ và chưng luyện hai cấp được sử dụng rộng rãi nhất., với những ưu điểm nổi bật. Hiệu suất tổng hợp Urê cao 65 68%, hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao, định mức tiêu hao thấp. Dây chuyền sản xuất khép kín, liên tục mà không cần thêm dây chuyền để sản xuất các sản phẩm chứa amoni khác. Trong khuôn khổ trong cuốn đồ án này em được giao thiết kế dây chuyền sản xuất phân xưởng tổng hợp Urê mà không sản xuất các sản phẩm khác. Để tận dụng được toàn bộ nguyên liệu, tránh gây tổn thất, mất mát nguyên liệu trong quá trình sản xuất nên trong cuốn đồ án em chọn dây chuyền sản xuất Urê theo phương pháp tuần hoàn lỏng để lỏng để tính toán. 2. Lựa chọn các điều kiện công nghệ: Các tiêu chi công nghệ chính của tháp tổng hợp là, áp suất, nhiệt độ,tỷ lệ phân tử NH3 : CO2, tỷ lệ H2O : CO2, trong nguyên liệu đưa vào tháp tổng hợp. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 12
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 2.1. Áp suất : Trong thực tế sản xuất do thời gian vật liệu dừng trong thpá bị hạn chế, làm cho pha lỏng và pha khí cũng như phản ứng của nguyên liệu phản ứng trước khi ra khỏi tháp không thể đạt được trạng thái cân bằng hoàn toàn,vì thế thường là trị số áp suât hơi nước của nguyên liệu trên đỉnh tháp tổng hợp sẽ cao áp suất khi đạt được cân bằng. Mặt khác khí CO2 đưa vào tháp tổng không đạt được độ thuần 100%, ngoài ra để tránh cho phần lót trong tháp không bị ăn mòn, người ta còn đưa thêm một phần không khí hoặc oxi, như thế sẽ làm cho áp suất ở đỉnh tháp tăng lên. Căn cứ vào tình hình nêu trên, việc lựa chọn áp suất thao tác của tháp tổng phải lớn hơn áp suất hơi nước của nguyên liệu trên đỉnh tháp như thế NH3 dư và cacbamat trong hỗn hợp bị phân giải trong pha lỏng. Nói chung áp suất thao tác tăng thì hiệu suất chuyển hoá tăng. Nhưng áp suất thao tác không thể tăng vô hạn, bởi suất sau khi đã tăng tới mức nhất định nếu lại tăng tiếp thì hiệu suất chuyển hoá tăng không đáng kể. Mặt khác khi tăng áp suất thì tiêu hao động lực cũng tăng lên và yêu cấu kết cấu đối với tháp tổng hợp cũng cao. Vì vậy việc lựa chọn áp suất thao tác được lấy theo áp suất cân bằng của hỗn hợp ở đỉnh tháp làm chuẩn và cao hơn 20% tức là 196 ÷ 200 at 2.2 Nhiệt độ: Nhiệt độ tháp tổng hợp tăng cao, thì tốc độ phản ứng tổng hợp tăng, hằng số cân bằng của phản ứng của cacbamat thoát nước lớn, hiệu suất chuyển hoá tăng. Nhưng khi thành phần nguyên liệu đưa cố định thì nhiệt độ cũng tăng lên đến một nhất định cho hiệu suất chuyển hoá tối đa sau đó sự chuyện hoá lại giảm xuống. Điều chủ yếu là khi nhiệt độ tăng thì tốc độ ăn mòn lớp lót bên trong tháp tổng hợp cũng tăng, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ ăn mòn vật liệu là rất rõ rang, khi vượt quá nhiệt độ nào đó tốc độ ăn mòn của lớp lót sẽ tăng nhanh. Sự lựa chọn nhiệt độ của tháp tổng hộp là lấy khả năng chịu ăn mòn của vật liệu làm nhân tố chính ngoài tốc độ phản ứng để xem xét. Vì vậy chúng ta chọn nhiệt độ khoảng 188 ÷ 190 0C. 2.3. Tỷ lệ NH3 : CO2 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 13
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 hoá giảm đi, còn áp suất cân bằng của dung dịch trong tháp sẽ tăng cao khi NH3:CO2 lớn quá làm cho hệ thống thu hồi cồng kềnh. Việc lựa chọn t ỷ lệ NH#:CO2 còn 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 NH3 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 không tốt đối với phản ứng tổng hợp Urê, xét về cân bằng hoá học thì có lợi cho phản ứng loại nước khỏi cacbamat để tạo thành Urê, mà lại có lợi cho việc thuỷ phân Urê. Nếu nhiệt độ của tháp tổng hợp ở 188 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 hoá càng giảm. Tỷ lệ đó trong nguyên liệu đưa vào được quyết định bởi lượng nước dung dịch cacbamat đưa vào , và thường lấy tỷ lệ H2O : CO2 = 0,6 ÷ 0,8. 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. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 14
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 80oC, khi cao hơn nhiệt độ này Urê sẽ bị hydrat hóa và chuyển thành amoni cacbamat (NH2)2CO + H2O  NH2COONH4 – Q Trong dung dịch loãng thì amoni cacbamat hầu như bị chuyển hoàn toàn thành cacbonat. Nhiệt độ nóng chảy của cacbamat nguyên chất là 152 155oC. Khi có mặt các muối cacbonat thì nhiệt độ nóng chảy của cacbamat giảm Hình 1. Giản đồ tan của hệ H2O – NH2COONH4 0 ( C) 152 140 Amonicacbamat 100 60 20 (NH4)2CO3.2NH4HCO3 0 Amonicabonat 0 20 40 60 80 100 NH4COONH2 ( %KL) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 15
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 90 D 10 80 20 70 30 60 40 50 50 40 60 30 119 0 0 C 120 0 80 100 0 E 90 (NH2) CO M NH4COONH2 2 X 90 80 70 A 40 30 20 10 Y 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 hòa của 3 muối. Với quá trình tổng hợp Urê khu vực có muối cacbamat chảy lỏng là quan trọng nhất. Điểm M ở trên giản đồ ứng với 34% (NH 2)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 (NH 2)2CO : NH2COONH4 là không đổi, còn 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 NH3 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 16
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 quá trình) là chậm nhất, quyết định tốc độ toàn bộ quá trình NH2COONH4  (NH2)2CO + H2O – Q Hằng số cân bằng của phản ứng: [( NH 2 ) 2 CO ] x [ H 2 O] K = [ NH 2 COONH 4 ] Giả sử ban đầu có 1 mol NH2COONH4 Khi cân bằng có x mol Cacbamat được chuyển hoá thành Urê, thì tại thời điểm cân bằng: NH2COONH4 1 x (mol) (NH2)2CO x (mol) H2O x (mol) Tổng số mol : 1 + x (mol) x x * 1 x 1 x Hằng số cân bằng: K n 1 x 1 x 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 NH3/CO2 = 2. Còn khi có lượng dư Amoniac và H20 đưa vào thì công thức trên không còn phù hợp. Nếu xét tổng quát quá trình: 2NH3 + CO2  (NH2)2CO + H2O + Q Hằng số cân bằng : Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 17
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê (NH 2 ) 2 CO x H 2 O K 2 NH 3 x CO2 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 hoá thành Urê khi đó thành phần của các cấu tử: CO2 1 – x mol NH3 a 2x mol (NH2)2CO x mol H2O 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 không lớn lắm khi tăng lượng dư ammoniac thí sự chênh lệch trong thực tế sẽ tăng lên. 2. Động học quá trình tổng hợp Urê Như trên đã trình bày, quá trình tạo Urê từ NH3 lỏng và khí CO2 gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: phản ứng tạo amoni cacbamat 2NH3 + CO2  NH2COONH4 + Q1 (1) 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. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 18
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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) − k2 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: δx = k1 (a − x) − k2 x x ' δτ 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 không những làm NH3 thoát ra làm Amoniac dư trong pha lỏng giảm thấp đồng thời có khả năng làm cho cacbamat amon bị phân giải từ đó làm giảm hiệu suất chuyển hoá CO2 Hình 3: Áp suất hơi cân bằng trên Urê chảy lỏng, thu được khi quan hệ theo tỷ lệ NH3 : CO2 = 2 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 19
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê ( C) 500 0 400 2 3 300 1 4 200 100 0 (atm) 100 150 200 250 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 toán lý thuyết. Còn khi dư NH3 không dẫn đến việc tăng áp suất mạnh như thế. Tốc độ tạo thành amoni cacbamat tăng lên gần như tỷ lệ với bình phương của áp suất. Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ không cao việc tạo thành amoni cacbamat tiến hành rất chậm, còn ở 100 atm và 150oC 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) 77,6 98,5 114,5 130,2 152 183 197 Phơi (atm) 2,98 8,42 18,7 38,4 83,3 150,4 259,9 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng

172 tài liệu

841 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.