Nội dung

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 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 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 C 0 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 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 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 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 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 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 2 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 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 hoà tan khác. Trong sản xuất Ure thì yêu 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 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 NH 3 lỏng, lượng nước dầu và khí trơ hoà tan trong NH3 lỏng càng ít càng tốt.Hàm lượng NH 3 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 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; 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 3 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Hàm lượng lưu huỳnh trong khí CO2 càng nhỏ càng tốt bởi hợp chất sunfua có khả năng gây ăn mòn 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 không khí hoặc oxi nguyên chất chiếm khoảng 2,5% thể tích không khí và duy trì hàm lượng O2 trong CO2 là 0,5% thể tích. II. SẢN PHẨM URÊ. 1. Tính chất vật lý: Công thức hoá 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 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: Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 4 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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 nông 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. 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. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 5 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 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. 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 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 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 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 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 NH3 dư khi tổng hợp Urê sẽ tăng được phần NH3 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 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 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 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. 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 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 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 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 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 NH 3 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. 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 quá trình tuần hoàn 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 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. 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 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. 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 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 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 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 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 NH 3:CO2 lớn quá làm cho hệ thống thu hồi cồng kềnh. Việc lựa chọn tỷ 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 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 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. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 hòa của 3 muối. Với quá trình tổng hợp Urê khu vực có muối Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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, 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 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 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: 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 hoá thành Urê, thì tại thời điểm cân bằng: NH2COONH4 1 - x (mol) (NH2)2CO H2O Tổng số mol : x (mol) x (mol) 1 + x (mol) Hằng số cân bằng: x x * 1 x 1 x Kn  1 x 1 x Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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. 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 :  (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 CO 2 được chuyển hoá 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 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 NH 3 lỏng và khí CO2 gồm 2 giai đoạn: - Giai đoạn 1: phản ứng tạo amoni cacbamat 2NH3 + CO2  NH2COONH4 + Q1 (1) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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)  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: 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 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 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 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 38,4 83,3 150,4 259,9 18,7 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 18 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Tuy nhiên áp suất không thể tăng vô 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 NH 2COONH4 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 luôn giữ nhiệt độ của khối phản ứng lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của amoni cacbamat. Do Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 quá trình mà không 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 nguyên 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 (không 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. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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. Ngoài ra trên 200 oC việc ăn mòn 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 quá trình. (HiÖu suÊt Ure %) Hình 7 : 44 40 36 32 28 24 20 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 toán lý thuyết. Amoniac dư làm giảm tác dụng có hại của nước tách ra trong quá trình. Ngoài ra NH 3 dư làm giảm ăn mòn thiết bị. Ảnh hưởng của NH3 đến hiệu suất cân bằng của Urê được thể hiện ở hình 9 Hình 9 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 NH 3 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. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 23 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê PHẦN IV. ĐIỀU KIỆN TỔNG HỢP URÊ TRONG CÔNG NGHIỆP Quá trình tổng hợp Urê trong công nghiệp yêu cầu về chất lượng nguyên 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 nguyên liệu  5 mg/Nm3 khí. Trong quá 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 hoàn lỏng toàn 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 hoàn lại tháp tổng hợp. Trong quá 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 mòn 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. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 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 HOÀN LỎNG TOÀN 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: CO2  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 không 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, còn 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 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 25 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê gió, hút gió ngược chiều từ dưới lên, để làm lạnh hạt Urê, rơi xuống đáy tháp. Hạt Urê được băng tải đưa đến hệ thống sàng phân loại những hạt không hợp cách. Hạt Urê hợp cách được dẫn đến bộ làm lạnh và phun chất trợ dung chống đóng cục, sản phẩm được chuyển qua bộ phận đóng bao, xếp dỡ và kho. Phần hạt Urê không hợp cách được đưa qua trở lại thùng chứa dịch Urê (35). Phần khí ở (28), (30), (32) đưa qua hệ thống các thiết bị ngưng tụ hơi cô đặc để thu hồi lượng dịch cô đặc đưa về thùng chứa (46), phần khí được phóng không ở (45), dịch thải ở đây được tháo ra rãnh. Phần khí sau khí ra khỏi thiết bị cô đặc đoạn I, được đưa vào đáy tháp hấp thụ đoạn I (13). Tại đây khí CO2 được hấp thụ bằng NH3 lỏng từ thùng hoãn xung tạo thành dịch cacbamat, đưa vào bơm (9), nâng áp lên 200 at đưa quay trở lại tháp tổng hợp (4). Pha khí ra khỏi đỉnh tháp hấp thụ (13) chủ yếu là NH 3, hàm lượng CO2 chỉ còn khoảng 40  50 ppm, khí này được ngưng tụ ở (12a,b,c), NH 3 ngưng tụ được đưa về thùng chứa (11). Khí không ngưng được đưa về hấp thụ khí trơ (17). Tại (15), NH3 khí gần như được hấp thụ triệt để bằng dịch ở (20). Phần dịch hấp thụ ở (15) được đưa về đỉnh của tháp hấp thụ đoạn I (13) để rửa dịch cacbamat Khí ra khỏi đỉnh thiết bị phân giải đoạn II (16), cùng với khí ra khỏi tháp chưng (26) được đưa vào hấp thụ đoạn II (19), bằng dịch được bơm từ thùng chứa dịch ngưng tụ hơi cô đặc (40). Khí ra khỏi (19) cùng với khí ra từ đỉnh của hấp thụ khí không ngưng (15) (đã qua van giảm áp xuống áp suất thường) đưa vào hấp thụ khí cuối (21) trước khi phóng không ra ngoài. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 26 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê PHẦN VI. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT Dây chuyền sản xuất Urê năng suất 150.000 tấn/năm Thời gian dừng máy trong năm: 1. Thời gian dừng đại tu: 30 ngày 2. Thời gian ngừng sửa chữa nhỏ: 10 ngày 3. Thời gian ngừng bất thường: 5 ngày Thời gian chạy máy trong năm: 365 – (30 + 10 + 5) = 320 ngày A. CÂN BẰNG VẬT LIỆU Tính năng suất dây chuyền trong thời gian 1 giờ: 150000 : (320  24) = 19,531 tấn/h I. Cân bằng vật liệu cho tháp tổng hợp: 1. Các số liệu ban đầu: Thành phần amoniac lỏng vào: - Amoniac: 99,5% - Nước: 0,5% Thành phần khí cacbon dioxit: - CO2 khí: 98% - Khí khác: 2% Hàm lượng NH3 trong dung dịch muối amoni quay lại tháp tổng hợp (% khối lượng): 40% Tỷ số mol các cấu tử vào tháp tổng hợp: NH3 : CO2 : H2O = 4,5 : 1 : 0,7 Tổn thất Urê trong quá trình sản xuất (% khối lượng): - Khi chưng luyện: 5% - Khi bốc hơi cô đặc: 1% ( trong đó có 0,5% không hoàn lại được) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 27 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê - Khi kết tinh tạo hạt: 1% Mức độ tổn thất toàn bộ là: 5 + 1 + 1 = 7% 2. Tính toán: Do tổn thất Urê trong toàn bộ dây chuyền là 7% , nên muốn thu được 19531 kg Urê trong 1 giờ cần đạt: 19531 + 19531  0,07 = 20898,17 (kg/h) Khi tổng hợp coi trong tháp chỉ xảy ra các phản ứng kế tiếp sau: 2NH3 + CO2  NH2COONH4 + Q1 (1) NH2COONH4  (NH2)2CO + H2O - Q2 (2) Tổng của quá trình: 2NH3 + CO2  (NH2)2CO + Q3 (3) Theo hệ số tỷ lượng phương trình (3) ta có: Lượng tiêu hao hợp thức cho 20898.17 kg Urê:  NH3: 2  17  19531: 60 = 11067.566 (kg/h)  CO2: 44  19531 : 60 = 14322.733 (kg/h) Trong đó 17; 44 và 60 là khối lượng phân tử của NH 3; CO2 và (NH2)2CO Do tổn thất nên lượng các cấu tử đưa vào tháp tổng hợp để có 20259,38 kg Urê là:  NH3: 20898,17  11067,566 : 19531 = 11842,199 (kg/h)  CO2: 20898,17  14322,733 : 19531 = 15325,324 (kg/h) Thực tế hiệu suất chuyển hóa cacbamat thành Urê là 65% và tỷ số mol như đã chọn nên: 20898,17 x 100 4,5 17 40992,230 (kg/h)  NH3: m NH = 3 65 60 20898,17 100 44 23577,230 (kg/h)  CO2: mCO = 2 65 60 20898.17 100 0,7 18 6751,661 (kg/h)  H2O: mH O = 2 65 60 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 28 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Vào tháp tổng hợp ngoài CO2, NH3 và nước còn có dịch cacbamat. Lượng amoniac, cacbon dioxit và nước theo dịch muối amoni quay lại chu trình: Ta gọi hàm lượng % NH3, CO2 và H2O trong dung dịch muối amoni là  ,  và  . Theo số liệu ban đầu:  = 40%. Khi đó thành phần dung dịch amoni được xác định như sau: - Lượng CO2: ' mCO = 20898,17x 2 44 (1   ) 60 + 19531 x 44 p 60 ( I- 135 )  - Mức chuyển hóa amoni thành Urê  = 0,65 p - Tổn thất Urê khi chưng luyện và bốc hơi, trừ lượng không hoàn lại được: p = 0,05 + 0,01 – 0,005 = 0,055 Lượng amoniac:  ' ' mNH = mCO2 x  3 ( I – 155 ) Lượng H2O: ' mH' 2O = mCO x 2   ( I – 155 ) Thay các giá trị vào ta có: ' mCO = 20898,17 x 2 44(1  0,65) 60 0,65 + 19531 x 44 0,055 60 = 9039,848(kg/h) Việc xác định hàm lượng % CO 2 và H2O trong dung dịch amoni được thực hiện theo phương trình    1       = 1 – 0,4 = 0,6   = 0,6 -  Lượng amoniac mới và amoniac quay lại, không tính amoniac theo muối amoni: ' A1 = m NH - mNH 3 3 Lượng nước vào theo amoniac và amoniac quay về được xác định bằng phương trình: ' B1 = ( m NH - mNH ) x 3 3  0,005 1  0,005 ' = ( m NH - mCO x  ) x 3 2 ( I – 156 ) 0,005 1  0,005 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 29 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 0, 4 0,005 ) x 1  0,005  B1 = (40992,230 – 9039,848  = 205,991 – 18.17 (1)  Ở đây: 0,005 là thành phần H2O trong NH3 Mặt khác H2O theo NH3 mới và quay lại có thể xác định theo phương trình: ' B1 = m H O - m H O = m H 2 2  2O ' - mCO x  B1 = 6751,661 – 9039,848 . ' m H 2O - m H 2O 2 0,6    5423.908 = 15791,509 –  (2) Từ hai phương trình trên ta xác định được: 205,991 – 18.17  = 15791,509 – 5423.908  Giải phương trình ta được  = 0,347  = 0,6 – 0,347 = 0,253 ' ' Thay vào công thức tính mNH và mH O ở trên ta được: 3 2 0,4 ' mNH = 9039,848 . 0,347 = 10420,574 (kg/h) 3 0,253 mH' 2O = 9039,848 . = 6591,013 (kg/h) 0,347 Tổng lượng dịch amoni vào tháp: 9039,848 + 10420,574 + 6591,013 = 26051,435 (kg/h) Lượng NH3 mới và quay lại không tính NH3 theo dịch amoni vào: A1 = 40992,230 – 10420,574 = 30571,656 (kg/h) Lượng nước theo NH3 mới và quay lại: B1 = 6751,661 – 6591,013 = 106,648 (kg/h) Tháp tổng hợp Lượng các cấu tử ban đầu đưa vào tháp (kg/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 30 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê m NH 3 = 40992,230 (kg/h) mCO2 = 23577,230 (kg/h) m H 2O = 6751,661 (kg/h) Lượng CO2 mới: ' mCO2 - mCO = 23577,230 – 9039,848 = 14537,382 (kg/h) 2 (Đây chính là tổng các lượng khí vào theo CO 2 trong đó thành phần CO2 chiếm 98% khối lượng ; khí khác 2%) Lượng các khí vào theo khí CO2: Tính cho khí ở điều kiện tiêu chuẩn: 22,4 2 Vk = 14537,382 . 44 (100  2) = 151,038 (m3/h) Khối lượng riêng của các khí khác  = 0,76 kg/m3. Lượng các khí khác là: 0,76 . 151,038 = 114,789 kg/h Phản ứng chính xảy ra ở tháp tổng hợp: 2NH3 + CO2  NH2COONH4 Lượng cacbamat tạo thành theo phản ứng : 78 78 mcar = mCO  = 23577,230  = 41795,998 (kg/h) 2 44 44 Trong đó 78 và 44 là khối lượng phân tử của cacbamat và CO 2 Lượng NH3 tạo thành cacbamat: 2 17 = 18218,768 (kg/h) 78 41795,998  Lượng NH3 không phản ứng còn lại: 40992,230 – 18218,768 = 22773,462 (kg/h) Lượng Urê được tạo thành từ cacbamat amon: 60 65 = 20897,999 (kg/h) 78 100 41795,998   Trong đó 60 và 78 là khối lượng phân tử của Urê và Cacbamat Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 31 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Lượng cacbamat không phản ứng: 41795,998 . 100  65 = 100 14628,599 (kg/h) Lượng nước tách ra khi chuyển hóa cacbamat thành Urê: 41795,998 . 18 65 78 100 = 6269,399 (kg/h) Lượng nước tổng cộng trong tháp: 6751,661 + 6269,399 = 13021,06 (kg/h) Nước tác dụng với NH3 dư tạo NH4OH: NH3 + H2O  NH4OH Lượng NH4OH tạo thành: 35 = 25318,728 (kg/h) 18 13021,06  Trong đó 35 và 18 là khối lượng phân tử của NH4OH và H2O Lượng NH3 đã phản ứng tạo NH4OH: 25318,728 – 13021,06 = 12297,668 (kg/h) Lượng NH3 dư còn lại trong pha khí: 22773,462 – 12297,668 = 10475,794 (kg/h) Tổng hợp cân bằng vật liệu cho tháp tổng hợp – Bảng 1 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 32 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Đầu vào Đầu ra Tên gọi LL (kg/h) Tên gọi LL (kg/h) % kl NH3 mới và hồi lưu 30571,656 Urê 20898,17 29,27 H2O 160,648 Cacbamat amon 14628,599 20,49 Tổng 30732,304 NH4OH 25318,728 35,46 Khí khác 114,789 0,09 NH3 tự do 10475,794 14,69 Tổng cộng 71436,08 100 CO2 mới 14537,382 Các khí khác 114,789 Tổng 14652,171 Dịch amoni NH3 10420,574 CO2 9039,848 H2O 6591,013 Tổng 26051,435 Tổng cộng 71435,91 Xác định tháp tổng hợp Tháp làm việc tại áp suất P = 200.105 N/m2, nhiệt độ to = 190oC Khối lượng riêng của dung dịch nóng lỏng:  = 900 kg/m3 Thể tích dịch nóng lỏng Urê tạo thành: Vu = 71436,08 900 = 79,373 (kg/m3) Để đảm bảo hiệu suất chuyển hóa thành Urê, thời gian lưu của dịch chọn trong tháp là 45 phút. Khi đó thể tích phản ứng của thiết bị: Vp = Vu   = 79,373  0,75 = 59,535 (m3)  = 0,75 là thời gian tính theo giờ Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 33 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Chọn tháp có đường kính là D = 1400 mm Chiều cao tháp H = 39000 mm Thể tích tháp là 60 m3 như vậy đảm bảo năng suất tháp. II. Cân bằng vật liệu quá trình chưng phân giải dịch Urê nóng lỏng cấp I Ở chưng luyện cấp I, phần amoni cacbamat chưa chuyển thành Urê sẽ bị phân hủy và amoniac dư sẽ bị đuổi ra khỏi dịch nóng lỏng. Pha lỏng chứa Urê, amoni cacbamat chưa bị phân hủy, amoniac và nước được chuyển vào chưng luyện cấp II. Còn pha khí thì đi vào tháp rửa. 1. Các số liệu ban đầu Áp suất chưng luyện cấp I: 17.105 N/m2 Mức đuổi NH3 dư: 90% Mức phân hủy amoni cacbamat: 90% Thành phần dịch nóng lỏng vào tháp chưng luyện: Urê : 20898,17 (kg/h) Amoni cacbamat: 14628,599 (kg/h) Hàm lượng hơi nước trong pha khí ra khỏi tháp chưng luyện cấp I: 3% khối lượng. 2. Tính toán Cacbamat amon bị phân hủy theo phản ứng: NH2COONH4 => 2NH3 + CO2 Lượng amoni cacbamat bị phân hủy: 14628,599  0,9 = 13165,739 (kg/h) NH3 thoát ra khi amoni cacbamat bị phân hủy: 13165,739  2 17 = 5738,911 (kg/h) 78 CO2 thoát ra: 13165,739 x 44 78 = 7426,827 (kg/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 34 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Cacbamat không bị phân hủy còn lại trong pha lỏng: 14628,599 – 13165,739 = 1462,86 (kg/h) NH3 được đuổi ra: 22773,462  0,9 = 20496,116 (kg/h) Lượng NH3 còn lại trong pha lỏng: 22773,462 – 20496,116 = 2277,346 (kg/h) Tổng lượng NH3 bị đuổi ra: 20496,116 + 5738,911 = 26235,027 (kg/h) Lượng hơi nước ra theo pha khí: 3 = 1044,638 (kg/h) 100  3 (114,789 + 26235,027 + 7426,827)  Lượng nước còn lại trong pha lỏng: 13021,06 – 1044,638 = 11976,422 (kg/h) Tổng hợp cân bằng vật liệu chưng phân giải cấp I – Bảng 2 Đầu vào Đầu ra Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 35 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Tên gọi LL (kg/h) % kl Tên gọi LL (kg/h) % kl Urê 20898,17 29,27 Pha khí chuyển Cacbamat 14628,599 20,49 vào tháp rửa NH4OH 25318,728 35,46 NH3 26235,027 75,46 Khí khác 114,789 0,09 CO2 7426,827 21,36 NH3 tự do dư 10475,794 14,69 Hơi nước 1044,638 3 Khí khác 114,789 0,18 Tổng 34821,271 100 Pha lỏng sang chưng luyện cấp II Urê 20898,17 Cacbamat 1462,86 57,07 NH3 dư 2277,346 3,99 H2O 11976,422 6,22 Tổng 36614,798 32,72 100 Tổng cộng 71436,08 100 Tổng cộng 71436,08 III. Tính cân bằng vật liệu chưng luyện dịch nóng lỏng Urê cấp II Ở chưng luyện cấp II, amoni cacbamat còn lại bị phân hủy hoàn toàn, đồng thời toàn bộ lượng NH3 và CO2 bị đuổi ra. Dung dịch Urê chuyển đến chế biến sản phẩm, còn pha khí đi vào ngưng tụ cấp II. 1. Các số liệu ban đầu: Áp suất trong tháp P = 3.105 (N/m2) Hàm lượng nước trong pha khí ra khỏi tháp chưng luyện cấp II (% thể tích khí khô): 30% Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 36 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Để tính toán chấp nhận các giả thiết như đã trình bày và thành phần dung dịch nóng lỏng vào được lấy theo kết quả chưng luyện cấp I. 2. Tính toán Lượng Urê bị phân hủy khi chưng luyện là 5% thành phẩm (tính cho 1 giờ): 19531  0,05 = 976,55 (kg/h) Lượng cacbamat được tạo thành từ phản ứng phân hủy NH2CONH2 + H2O  NH2COONH4 là: 976.55 78 60 = 1269,515 (kg/h) Lượng nước tiêu hao cho phân hủy Urê trong giai đoạn này: 976.55 18 60 = 292,965 (kg/h) Lượng cacbamat trong pha lỏng khi Urê bị thủy phân là: 1269,515 + 1462,86 = 2732,375 (kg/h) Cacbamat phân hủy theo phản ứng: NH2COONH4  2NH3 + CO2 Lượng NH3 sinh ra: 2732,375  2 17 78 = 1191,035 (kg/h) Lượng CO2 sinh ra: 2732,375  44 78 = 1541,339 (kg/h) Tổng lượng NH3 đuổi ra khỏi tháp: 2277,346 + 1191,035 = 3468,381 (kg/h) Thể tích NH3 và CO2 bị đuổi là: (kg/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 37 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê V NH 3  3468.381 x 22.4( 273  110 ) x 101325 17 x 273 x3 x10 5 = 2165,496 (m3/h) 1541.339 x 22.4(273  110 ) VCO2  x101325 44 x 273 x3 x10 5 = 371,813 (m3/h) Trong đó: 22,4 là thể tích 1 kmol ở điều kiện tiêu chuẩn (m 3) to =110oC là nhiệt độ trung bình của khí bị đuổi ra P= 101325 (N/m2) là áp suất tại điều kiện tiêu chuẩn Theo điều kiện đã nêu trên, hơi nước chiếm 30% thể tích khí khô: VH 2O = (2165,496 + 371,813)  0,3 = 761,083 (m3/h) Ở điều kiện tiêu chuẩn, thể tích hơi nước là: 761.083 273 3 10 5 ( 273  110 ) 101325 = 1606,203 (m3/h) Khối lượng tương ứng là: 1606.203 18 22,4 = 1290,699 (kg/h) Tổng lượng NH3 và CO2 bị đuổi ra khỏi tháp: 3468,381 + 1541,339 = 5009,72 (kg/h) Nước còn lại trong dịch Urê: 11976,422 – (1290,699 + 292,965) = 10392,758 (kg/h) Lượng Urê ra khỏi tháp chưng cấp II: 20898,17 – 976,55 = 19921,62 (kg/h) Tổng lượng dịch ra khỏi tháp: 10392,758 + 19921,62 = 30314,378 (kg/h) Nồng độ dịch Urê ra: 19921.62 100% 30314.378 = 65,71% Tổng hợp cân bằng vật liệu tháp chưng luyện cấp II – Bảng 3 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 38 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Đầu vào Đầu ra Tên gọi LL (kg/h) % kl Tên gọi LL (kg/h) % kl Urê 20898,17 57,07 Dung dịch Cacbamat 1462,86 3,99 Urê 19921,62 65,7 NH3 dư 2277,346 6,22 H 2O 10392,758 34,3 H2O 11976,422 32,72 Tổng 30314,378 100 NH3 3468,381 55,05 CO2 1541,339 24,46 H 2O 1290,699 20,49 Tổng 6300,419 100 Tổng cộng 36614,797 Khí ra Tổng cộng 36614,798 100 IV. Tính cân bằng vật liệu quá trình bốc hơi dung dịch Urê (Quá trình cô đặc dung dịch) Quá trình cô đặc Urê được thực hiện qua hai cấp:  Cấp thứ nhất: bốc hơi được thực hiện trong thiết bị bốc hơi chân không  Cấp thứ hai: dung dịch được bốc hơi đến nồng độ cuối trong thiết bị bốc hơi cô đặc loại màng THIẾT BỊ BỐC HƠI CHÂN KHÔNG 1. Số liệu ban đầu Lượng dịch vào: 30314,378 (kg/h) Nồng độ dung dịch vào: 65,71% Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 39 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Độ chân không: 250 mmHg Nhiệt độ dung dịch vào: 140oC Nhiệt độ dung dịch ra: 95oC 2. Tính toán Phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị: (m1 .c1 + m2 . c2) .t1 = m1 .c3 .t2 + (m2 – x).c2 .t2 + x . r + Qtt Trong đó: m1 là lượng Urê trong dung dịch, m1 = 19921,62 (kg/h) m2 là lượng nước trong dung dịch, m2 = 10392,758 (kg/h) x là lượng nước bị bốc hơi (kg/h) c1; c3 là nhiệt dung của Urê lần lượt ở 140oC và 95oC [III- 172] c1 =2,014 kJ/kg.độ; c3 = 1,845 kJ/kg.độ c 2 là nhiệt dung riêng của nước ở các nhiệt độ tương ứng ở 140 oC là 4,208 kJ/kg.độ; ở 95oC là 4,19 kJ/kg.độ [III – 165] r là ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 250 mmHg, r = 2293 (kJ/kg) Qtt là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, Q tt = 1500 (kJ/h) Từ phương trình trên ta có: x= ( m1c1 m2 c 2 )t1  m1c3 t 2  m 2 c 2 t 2  Qtt (r  c 2 t 2 ) Thay số vào ta tính được : x = 2167,861 (kg/h) Lượng nước còn lại trong dung dịch Urê: 10392,758 – 2167,861 = 8224,897 (kg/h) Tổng lượng dung dịch Urê: 19921,62 + 8224,897 = 28146,517 (kg/h) Nồng độ dung dịch Urê: Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 40 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 19921.62 100% 28146.517 = 70,78% Tổng hợp cân bằng vật liệu thiết bị bốc hơi chân không – Bảng 4 Đầu vào Tên gọi Đầu ra LL (kg/h) % kl Dịch Urê vào Tên gọi LL (kg/h) % kl Urê 19921,62 65,7 Pha lỏng vào bốc hơi loại màng Nước 10392,758 34,3 Urê 19921,62 70,78 H 2O 8224,897 29,22 Tổng 28146,517 100 Hơi nước vào 2167,861 TB ngưng tụ Tổng cộng 30314,378 100 Tổng cộng 30314,378 THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ĐOẠN I 1. Số liệu ban đầu Áp suất: P = 520 mmHg, độ chân không Nồng độ dung dịch nóng lỏng đầu: 70,78% Nồng độ dung dịch nóng lỏng cuối: 96% Urê bị phân hủy ở cô đặc đoạn I: 0,5% (tính theo khối lượng thành phẩm) Lượng Urê vào thiết bị: 19921,62 (kg/h) Lượng nước: 8224,897 (kg/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 41 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 2. Tính toán * Lượng Urê ra: Urê bị phân hủy khi bốc hơi: 19921,62 0,005 = 96,608 (kg/h) Lượng các chất tạo thành khi phân hủy Urê theo phản ứng: NH2CONH2 + H2O  2NH3 + CO2 CO2: 96,608  44 = 73,046 (kg/h) 60 NH3: 96,608  2 17 = 54,745 (kg/h) 60 Nước tiêu hao trong phân hủy Urê: 18 = 28,982 (kg/h) 60 96,608  * Lượng Urê còn lại trong dung dịch: 19921,62 – 96,608 = 19825,012 (kg/h) Nước còn lại trong dung dịch sau cô đặc: 19825,012  4 = 826,042 (kg/h) 96 Nước bay hơi trong quá trình cô đặc: 8224,897 – ( 826,042 + 28,982) = 7369,873 (kg/h) Tổng hợp cân bằng vật liệu cô đặc đoạn I – Bảng 5 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 42 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Đầu vào Tên gọi Đầu ra LL (kg/h) % kl Dịch Urê Tên gọi LL (kg/h) % kl Dịch Urê ra Urê 19921,62 70,78 Urê 19825,012 96 Nước 8224,897 29,22 Nước 826,042 4 Tổng 20651,054 100 Hơi nước 7369,873 98,3 NH3 54,745 0,7 CO2 73,046 1,0 Tổng 7497,664 100 Tổng cộng 28148,718 Khí ra Tổng cộng 28148,718 100 THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ĐOẠN II 1. Các số liệu ban đầu Áp suất: P = 720 mmHg, độ chân không Nồng độ đầu dịch nóng lỏng: 96% Nồng độ cuối dịch nóng lỏng: 99,5% Lượng dịch Urê vào: Lượng nước vào: 19825.012 (kg/h) 826.042 (kg/h) 2. Tính toán Lượng Urê bị phân hủy khi cô đặc đoạn II, chọn 0,5% lượng thành phẩm tính theo khối lượng Urê bị phân hủy khi bốc hơi: Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 43 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 19531  0,005 = 97,655 (kg/h) Sự phân hủy xảy ra theo phản ứng: NH2CONH2 + H2O  2NH3 + CO2 Lượng các chất tạo thành khi phân hủy lượng Urê trên: NH3: 97,655  2 17 = 55,338 (kg/h) 60 CO2: 97,655  44 = 71,614 (kg/h) 60 Lượng nước tiêu hao cho phân hủy Urê: 18 = 29,296 (kg/h) 60 97,655  Lượng Urê trong dung dịch nóng lỏng ra khỏi thiết bị bốc hơi: 19825,012 – 97,655 = 19727,357 (kg/h) Lượng nước còn lại trong dịch Urê: 1927,357  0,5 = 99,132 (kg/h) 99,5 Lượng nước bay hơi: 826,042 – (99,132+ 29,296) = 697,614 (kg/h) Tổng hợp cân bằng vật liệu cho cô đặc đoạn II – Bảng 6 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 44 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Đầu vào Tên gọi Đầu ra LL (kg/h) % kl Dịch Urê Tên gọi LL (kg/h) % kl Dịch ra Urê 19826,012 Nước 826,042 96 Urê 19727,357 99,5 4 Nước 99,132 0,5 Tổng 19826,489 100 Hơi nước 697,614 84,6 NH3 55,338 6,7 CO2 71,614 8,7 Tổng 824,566 100 Tổng cộng 20651,054 Khí ra Tổng cộng 20651,054 100 TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU CHO QUÁ TRÌNH KẾT TINH 1. Các số liệu ban đầu Lượng dịch nóng lỏng Urê vào kết tinh: 19826,489 (kg/h) trong đó Lượng Urê là: 19727,357 (kg/h) Lượng nước là: 99,132 (kg/h) Nồng độ dịch vào: 99,5% khối lượng Nồng độ Urê ra khỏi tháp tạo hạt: 98,5% khối lượng Thành phần dịch nóng, lỏng lấy theo kết quả tính cân bằng vật liệu cho quá trình bốc hơi. Hàm lượng ẩm Urê ra khỏi tháp: 1,5% Tổn thất Urê: 1% 2, Tính toán Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 45 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Tổn thất Urê trong tháp tạo hạt: 19531  0,01 = 195,31 (kg/h) Lượng Urê thành phẩm ra khỏi tháp tạo hạt: 19727,57  195,31 0,985 = 19829,489(kg/h) Lượng nước còn lại trong Urê: 19829,489 – 19531 = 298,489 (kg/h) Lượng nước Urê hấp phụ trong quá trình tạo hạt: 298,489 – 99,132 = 199,357 (kg/h) Tổng hợp cân bằng vật liệu cho quá trình kết tinh – Bảng 7 Đầu vào Tên gọi LL (kg/h) Đầu ra % kl Dịch nóng lỏng Tên gọi LL (kg/h) % kl Sản phẩm hạt Urê 19727.357 99,5 Urê 19531 98,5 Nước 99.132 0,5 Nước 298.489 1,5 Tổng 19829.489 100 Tổn thất Urê 195.31 Tổng cộng 20024.799 Hơi nước bị 199.357 hấp phụ Tổng cộng 20024.846 100 TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU CHO THÁP RỬA VÀ CÁC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ CỦA CHƯNG LUYỆN CẤP I VÀ II 1 .Các số liệu ban đầu Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 46 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Áp suất trong thiết bị ngưng tụ cấp I (N/m 2): 17 105 Áp suất trong thiết bị ngưng tụ cấp II (N/m 2) : 3 105 Amoniac theo các khí khác ra khỏi thiết bị ngưng tụ của chưng luyện cấp I: 65% 2.Tính toán. Lượng amoniac theo các khí khác ra khỏi thiết bị ngưng tụ của chưng luyện cấp I: m k 0,65 1  0,65 = 114 ,789 0,65 1  0,65 = 213,179 (kg/h) Lượng amoniac vào thiết bị ngưng tụ chưng luyện cấp II: 3468,381 + 267,924 = 3736,305 (kg/h) Trong đó: 3468,381 là lượng NH3 từ chưng luyện cấp I: 267,924 là lượng NH3 từ nhả hấp thụ (số này tạm chấp nhận sẽ được kiểm tra ở phần thiết bị nhả hấp thụ) Lượng NH3 vào tháp rửa: 26235,027 + 3736,305 = 29971.332 (kg/h) Lượng NH3 khí từ tháp rửa vào thiết bị ngưng tụ cấp I: 29971,332 – 10420,574 = 19550,758 (kg/h) Trong đó: 10420,574 kg/h là lượng NH3 trong amoni cacbamat: * Lượng CO2 vào tháp rửa : Từ chưng luyện cấp I sang : 7426,827 (kg/h) Từ dịch ngưng tụ cấp II : 1541,339 + 73,060 = 1614,399 (kg/h) Trong đó: 1541,339 : CO2 ra ở chưng luyện cấp 2 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 47 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 73,060 là lượng CO2 từ nhả hấp thụ (con số này sẽ được kiểm tra ở phần cân bằng vật liệu nhả hấp thụ) Tổng cộng: 7426,827 + 1614,399 = 9041.226 (kg/h) Lượng NH3 ngưng tụ trong ngưng tụ cấp I: 19550,758 – 213,179 = 19337,579 (kg/h) Lượng nước ra khỏi tháp rửa: Theo dung dịch muối amoni: 6591,013 (kg/h) Theo pha khí vào thiết bị ngưng tụ cấp I: 0,005 19337,579 0,995 = 97,174 (kg/h) (0.5% l à hàm lượng nước theo NH3 vào tính theo phần khối lượng) Tổng cộng lượng H2O ra là: 6591,013 + 97.174 = 6688,187 (kg/h) Lượng H2O vào tháp rửa: Theo khí từ chưng luyện cấp I: 1044,638 (kg/h) Theo khí từ chưng luyện cấp II: 1290,699 (kg/h) Theo khí từ nhả hấp thụ: x (kg/h) Ta có: Tổng lượng ra = Tổng lượng vào 6688,187= x + 1044,638 + 1290,699 x = 4352,85 (kg/h) Lượng nước từ ngưng tụ cấp II vào tháp rửa: 4352,85 + 1290.699 = 5643,549 (kg/h) Trong dung dịch vào tháp có lượng (NH4)2CO3 tạo thành theo phản ứng: 2NH3 + CO2 + H2O (NH4)2CO3 Lượng (NH4)2CO3 tạo thành từ 9041,226 kg CO2: 96 44 9041,226  = 19726,311 (kg/h) Lượng nước cần cho phản ứng: Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 48 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 18 44 9041,226  = 3698,683 (kg/h) Lượng NH3 cần cho phản ứng: 19726,311 – (9041,226 + 3698,683) = 6986.402 (kg/h) NH4OH được tạo thành từ phản ứng: NH3 + H2O NH4OH Lượng nước còn lại để tạo thành NH4OH: 6591,013 – 3698,683 = 2892,33 (kg/h) Lượng NH4OH được tạo thành : 35 18 2892,33  = 5623,975 (kg/h) Lượng NH3 cần thiết tạo thành NH4OH : 5623,975 – 2892,33 = 2731,645 (kg/h) Lượng NH3 tự do còn lại: 10420,574 – (2731,645 + 6986,402) = 702,527 (kg/h) Tổng hợp cân bằng vật liệu cho tháp rửa - Bảng 8 Đầu ra Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 49 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Tên gọi LL(Kg/h) Tên gọi LL(Kg/h) %KL Khí chưng luyện cấp I Đầu vào Khí vào ngưng tụ NH3 26235,027 NH3 19550,758 99,3 CO2 7426,827 H 2O 97,174 0,40 H2Oh 1044,638 Khí khác 114,789 0,3 Khí khác 114,789 Tổng 19762,721 100 Tổng 34821,281 Dịch từ ngưng tụ cấp II Dịch vào tổng hợp NH3 3736,305 (NH4)2CO3 19726,311 73,05 CO2 1614,399 NH4OH 5623,975 24,93 H2O 5643,549 NH3 tự do 702,527 2,02 Tổng lượng dịch 10994,253 Tổng lượng dịch 26052,813 Tổng cộng 45815,534 Tổng cộng 100 45815,534 Tổng hợp cân bằng vật liệu ngưng tụ cấp I - Bảng 9 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 50 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Đầu vào Tên gọi LL(Kg/h) Khí từ tháp rửa Đầu ra Tên gọi LL(Kg/h) Pha khí NH3 19550.758 NH3 213.179 H2Oh 97.174 Khí khác 114.789 Khí khác 114.789 Pha lỏng Tổng cộng 19762.721 NH3 19337.579 H2O 97.174 Tổng cộng 19762.721 Tổng hợp cân bằng vật liệu ngưng tụ cấp II - Bảng 10 Đầu vào Tên gọi LL(Kg/h) Khí từ chưng luyện cấp II Đầu ra Tên gọi LL(Kg/h) Dịch lỏng vào tháp rửa NH3 3468.381 NH3 3736.305 CO2 1541.399 CO2 1614.399 H2Oh 1290.699 H2O 5643.549 Tổng cộng 10994.343 Khí từ nhả hấp thụ NH3 267.924 CO2 73.060 H2Oh 4352.85 Tổng cộng 10994.313 CÂN BẰNG VẬT LIỆU THÁP HẤP THỤ VÀ NHẢ HẤP THỤ 1.Các số liệu ban đầu Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 51 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Áp suất làm việc tháp hấp thụ (N/m2): 1 10 5 Áp suất làm việc trong tháp nhả hấp thụ (N/m 2) : 3 10 5 Lượng vào: Khí không ngưng từ ngưng tụ cấp I vào: 114,789 (kg/h) Nước bốc hơi từ chân không đến: 2167,861 (kg/h) Nước từ cô đặc đoạn I đến: 7369,873(kg/h) Nước từ cô đặc đoạn II đến : 697,614 (kg/h) Tổng : 10235,348 (kg/h) Amoniac từ cô đặc I và II : 110,083 (kg/h) Cacbon dioxit từ cô đặc I và II: 144,66 (kg/h ) 2.Tính toán Tổng lượng NH3 vào hấp thụ: 110,083 + 213,179 = 323.262 (kg/h) Trong đó: 213,179 (kg/h): là lượng NH3 theo các khí khác ra khỏi thiết bị ngưng tụ của chưng luyện cấp I: NH3 và CO2 tổn thất theo khí thải và theo H2O ngưng vào rãnh thải theo điều kiện đã nêu là 0,5 % lượng urê thành phẩm: - Tổn thất NH3 : 19531  - Tổn thất CO2 : 19531  2.17.0,005 60 44.0,005 60 = 55.338 (kg/h) = 71.614 (kg/h) NH3 và CO2 tổn thất ở dạng muối amoni: NH3 kg/h 55.338 + CO2 71.614 + H2O 29.297  (NH4)2CO3 156.249 Do đó amoniac từ nhả hấp thụ chuyển vào thiết bị ngưng tụ của chưng luyện cấp II: 323,262 – 55,338 = 267,924 (kg/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 52 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Như vậy con số lấy tính toán cân vật liệu ngưng tụ cấp II là phù hợp: Lượng CO2 từ thiết bị nhả hấp thụ vào thiết bị ngưng tụ cấp II: 144.66 – 71.614 = 73.046 (kg/h) Như vậy con số lấy cho cân bằng vật liệu ỏ thiết bị ngưng tụ cấp II là phù hợp: Hơi nước theo các khí khác từ hấp thụ được phóng không. Lấy độ ẩm tương đối là  = 100 %, nhiệt độ 40 o C từ đồ thị ta có hàm ẩm của không khí là x = 0,05 kh hơi nước / kg không khí khô: Lượng hơi nước : 0,05 114,789 = 5.74 (kg/h) Lượng nước ngưng vào vào thiết bị nhả hấp thụ: 10235,388 - 5,74 = 10229.648 (kg/h) Lượng nước ngưng vào rãnh thải: 10235,388 - (29,297+4352,85) = 5853.241 ( kg/h) Tổng hợp cân bằng vật liệu tháp hấp thụ - Bảng 11 Đầu vào Tên gọi Đầu ra LL(Kg/h) Tên gọi Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 LL(Kg/h) 53 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Khí từ ngưng tụ cấp I Lỏng vào nhả hấp thụ NH3 213,179 NH3 323,262 Khí khác 114,789 CO2 144,66 H2O 10229,648 Lỏng(hơi thứ ngưng) NH3 110,083 Khí phóng không CO2 144,66 Khí khác 114,789 H2O 10235,388 H2O 5,74 Tổng cộng 10818,099 Tổng cộng 10818,099 Tổng hợp cân bằng vật liệu cho tháp nhả hấp thụ - Bảng 12 Đầu vào Tên gọi LL(Kg/h) Lỏng từ hấp thụ Đầu ra Tên gọi LL(Kg/h) Khí vào ngưng tụ cấp II NH3 323,262 NH3 267,924 CO2 144,66 CO2 73,046 H2O 10235,388 H2O 4352,85 Thải rãnh Tổng cộng 10703.31 H2O 5853.241 (NH4)CO3 156.249 Tổng cộng 10703.31 B. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG I. Cân bằng nhiệt lượng cho tháp tổng hợp Urê Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 54 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 1. Các số liệu ban đầu Áp suất tổng hợp: P = 200 .10 5 (N/m2) Nhiệt độ làm việc của tháp: 190oC Nhiệt độ các cấu tử vào tháp (oC): NH3 lỏng: 45 CO2 khí: 110 Dung dịch amoni: 100 Nhiệt độ tới hạn của NH3: 132,4oC 2, Nhiệt vào 2.1, Theo khí cacbon dioxit CO Q1 = mco2 x c p 2 x t Q1 = 14537,382  2,069  110 = 3308562,769 (kJ/h) Trong đó 14093,207– lượng CO2 đi vào tháp (kg/h) 2,069 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung khí CO 2 ở 110oC, 200 atm ( II-204 ) 2.2, Nhiệt các khí khác mang vào: Q2 = m kk x c kk p xt (kJ/h) Q2 = 114,789  1,177  110 = 14987,999 (kJ/h) Trong đó 111,281 – lượng các khí khác (kg/h) 1,177 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung lấy theo N2 ở 110oC, 200 atm ( II-204) 2.3, Nhiệt của NH3 lỏng đưa vào NH Q3 = m NH 3 x c p 3 x t (kJ/h) Q3 = 30571,656  4,86  45 = 6686021,167 (kJ/h) Trong đó 30571,656 (kg/h) – lượng NH3 vào tháp 4,86 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung NH 3 lỏng ở 45oC, 200 atm (II-171) 2.4, Nhiệt phản ứng tạo thành amoni cacbamat Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 55 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Q4 = 41795.998(159320  25140) = 71899833,48 (kg/h) 78 Trong đó 41795,998(kg/h) – lượng amoni cacbamat được tạo thành 159320 (kJ/kmol) – nhiệt tỏa ra khi phản ứng tạo thành cacbamat 25140 (kJ/kmol) – nhiệt nóng chảy cacbamat 2.5, Nhiệt phản ứng tạo thành NH4OH Q5 = (12297.668  10420,574) x (29540  23680) = 647045,343 (kJ/h) 17 Trong đó 12297,668 (kg/h) – lượng NH 3 đã tham gia phản ứng tạo thành dạng hydroxit 10420,574 (kg/h) – lượng NH 3 ra khỏi tháp dạng dung dịch muối amoni 29540 (kJ/kmol) – nhiệt hòa tan NH 3 23680 (kJ/kmol) – hiệu số hàm nhiệt của NH 3 lỏng và khí 2.6, Nhiệt vào theo dung dịch muối amoni ở 100 oC Theo NH3: 10420,574 5,18  100 = 5397857,332 (kJ/h) CO2 : 9039,848  2,34  100 = 2115324,432 (kJ/h) H2O: 6591,013  4,157  100 = 2739884,104 (kJ/h) Trong đó: 5,18 (kJ/kg độ) Nhiệt dung của NH3 ở 100 oC và 200 atm (II – 171) 2,34 (kJ/kg độ) Nhiệt dung của CO2 ở 100 oC và 200 atm (II– 205) 4,230 (kJ/kg độ) Nhiệt dung của H2O ở 100 oC và 200 atm (II – 172) Vậy ta có: Q6 = 5397857,332 + 2115324,432 + 2739884,104 = = 10253065,87 ( kJ/h) Tổng nhiệt lượng vào: Q v = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 = 92809516,63 (kJ/h) 3.Nhiệt ra Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 56 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 3.1, Nhiệt tạo thành Urê NH2COONH4  NH2CONH2 + H2O – 26,27 (kJ/kmol) Q1 = 20898.17 x 26270 60 = 9149915,432 (kJ/h) 3.2, Nhiệt đun nóng NH3 từ 45oC lên đến nhiệt độ tới hạn 132,4 oC. Thừa nhận amoni cacbamat được tạo thành ở 132,4oC Q2 = 18218,768  (650 – 267,75) = 6964124,068 (kJ/h) Trong đó: 18218,768 – Lượng NH3 tham gia phản ứng (kg/h) 650 và 267,75 (kJ/kg) – nhiệt lượng riêng của NH 3 lỏng ở 132,4oC ( III- 185) và 45oC 3.3, Nhiệt đốt nóng CO2 từ 110oC lên 132,4oC Q3 = 14537,382  (1,88  132,4 – 2,069  110) = 309966,059 (kJ/h) Trong đó: 14537.382 (kg/h) – Lượng CO2 tham gia phản ứng 1,88 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung CO 2 ở 132,4oC và 200 atm (II-205) 2,069 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung CO 2 ở 110oC và 200 atm (II-205) 3.4, Nhiệt đốt nóng CO2 trong dung dịch muối amoni từ 100oC lên 132,4oC Q4 = 9039.848  (1,88 132,4 – 2,34  100) = 134802.213 (kJ/h) Trong đó 1,88 và 2,34 (kJ/kg.độ) - lần lượt là nhiệt dung riêng của CO 2 ở 132,4oC và 100oC và áp suất 200 atm (II – 205) 3.5, Nhiệt để tách CO2 khỏi dung dịch Q5 = 9039.848 x 24700 = 44 5074641,945 (kJ/h) Trong đó 24700 (kJ/kmol) – nhiệt hòa tan của CO 2 3.6, Nhiệt đun nóng lượng cacbamat chuyển thành Urê từ 132,4 oC đến 190oC Q6 = (41795,998 – 14628,599) 1,954  (190 – 132,4) = 3057701.624 (kJ/h) Trong đó 1,954 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của cacbamat amon Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 57 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 3.7, Nhiệt dịch nóng lỏng ra Q7 ( gu .cu  gcar .ccar  g NH3 .cNH3  g H 2O .cH 2O  g kk .ckk ).t Trong đó gu, gcar, g NH , g H O , gkk – khối lượng tương ứng của Urê, cacbamat amoni, nước và khí khác (kg/h) 3 2 c u, ccar, cNH , cH O , ckk - nhiệt dung riêng tương ứng của Urê, cacbamat, nước và khí khác (kJ/kg.độ) 3 2 t – nhiệt độ của dịch nóng lỏng ( oC) cu = 2,203 (kJ/kg.độ); ccar = 1,954 (kJ/kg.độ); cNH = 9,14 (kJ/kg.độ); cH O = 4,358 (kJ/kg.độ); ckk = 1,136 (kJ/kg.độ) 3 2 t = 190oC Q7 = (20898,17 x 2,203 + 14628,599 x 1,954 + 22773,462 x 9,14 + 13021,06 x 4,358 + 114,789 x 1,136). 190 = 64533228,95 (kJ/h) 3.8, Nhiệt tổn thất Q8 =  (t1  t 2 ) F  10 3 (kJ/h)  Trong đó  - hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt (W/m.độ)  - chiều dày lớp cách nhiệt (m) t1 - nhiệt độ mặt ngoài thành thiết bị (oC) t 2 - nhiệt độ mặt ngoài lớp cách nhiệt ( oC) F – bề mặt thiết bị (m2)  - thời gian tính cho 1 h (s) Năng suất sản xuất 19531(kg/h) Thời gian sản xuất 1 tấn sản phẩm: 3600 19.531 = 184,322 (s) Chiều dày lớp cách nhiệt được tính: Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 58 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê   (t1  t 2 ) q (m) Nhiệt tải riêng được tính: q =  2 (t  t )  2 t (W/m2) 2 1 tk – nhiệt độ môi trường. Chọn tk = 25oC  2 9,3  0, 058 t 2 Chọn t = 50oC, ta có: 2  2 9,3  0, 058 50 = 12,2 (W/m2.oC) q = 12,2  (50 – 25) = 305 (W/m2) Khi nhiệt độ trong tháp 190oC, chọn nhiệt độ mặt ngoài thiết bị là 185 oC  0,15 (185  50) = 0,066 (m) 305 Dùng bông như thủy tinh làm lớp cách nhiệt. Diện tích mặt ngoài của tháp:  4 Fmn =  (1, 4  2 0, 066) 29  2  (1, 4  2 0, 066) 2 = 143,26 (m2) Thay vào công thức tính Q8 ta có: Q8 = 12,2  (50 – 25)  143,26  184,322 10-3 = 8053,82 (kJ/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 59 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Tổng hợp cân bằng nhiệt lượng cho tháp tổng hợp – Bảng 8 Đầu vào (kJ/h) Đầu ra (kJ/h) Theo khí CO2 3308562.769 Nhiệt tạo Urê Theo khí khác 14987.999 đun nóng 6964124.068 Theo NH3 lỏng 6686021.167 Nhiệt NH3 Nhiệt tạo thành 71899833.48 Nhiệt CO2 đun nóng 309966.059 Nhiệt tạo NH4OH 647045.343 Nhiệt tách CO2 5074641.945 khỏi dd amoni Nhiệt theo muối 10253065.87 amoni cacbamat Amoni 9149915.432 Nhiệt đun nóng CO2 trong dd 134802.213 amoni Nhiệt đun cacbamat nóng 3057701.624 Nhiệt ra theo dịch 64533228.95 lỏng Tổng cộng 92809516.63 Nhiệt tổn thất 8053.82 Tổng cộng 92809516.63 II. Cân bằng nhiệt lượng tháp chưng phân giải cấp I 1. Các số liệu ban đầu Áp suất làm việc: P = 17  105 (N/m2) Lượng dịch vào: 71436.08 (kg/h) Nhiệt độ dung dịch trước khi tiết lưu: 190 oC Nhiệt độ dung dịch sau tiết lưu: 120oC Lượng NH3 dư tách ra: 26235.027 (kg/h) Nhiệt độ dịch sau gia nhiệt: 160 oC Lượng pha khí: 34821.281 (kg/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 60 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Cacbamat bị phân hủy: 13165.739 (kg/h) 2. Nhiệt vào 2.1, Nhiệt vào theo dịch lỏng = nhiệt ra tháp tổng hợp Q1 = 64533228.95 (kJ/h) 2.2, Nhiệt vào theo hơi đốt: x (kJ/h) Dùng hơi đốt bão hòa có áp suất P = 13 at; nhiệt độ t o = 190,7oC Ẩn nhiệt hóa hơi: r = 1984 (kJ/kg) (II-313) 3. Nhiệt ra 3.1. Nhiệt ra theo pha lỏng Q1 = (20898,17  2,09 + 1462,86  1,954 + 2277.346  2,541 + 11976.422  4,145)  160 = 16314337,46 (kJ/h) 3.2. Nhiệt tiêu hao khi phân hủy 13165,739 (kg/h) cacbamat: Q2 = 13165,769 x(159320  25140) = 22648446.91 (kJ/h) 78 Trong đó 159320 (kJ/kmol) – nhiệt tạo thành cacbamat từ NH 3 lỏng, CO2 khí 25140 (kJ/kmol) – nhiệt nóng chảy cacbamat 3.3. Nhiệt để tách NH3 khỏi NH4OH Q3 = 12297,668 x 29540  2277,346 x 30280 78 = 3773270,203 (kJ/h) Trong đó 12297,668 (kg/h) – lượng NH3 trong NH4OH 2277,346 (kg/h) – lượng NH3 trong NH4OH tách ra 29540 (kJ/kmol) – nhiệt hòa tan 1 kmol NH 3 khí vào 1 kmol H2O 30280 (kJ/kmol) – nhiệt hòa tan 1 kmol NH 3 khí vào 5 kmol H2O 3.4, Nhiệt ra theo pha khí chưng luyện ở 120oC Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 61 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Q 4 = 26235,027  1515,1 + 1044,638 2714 + 7426,827  397,1 + 114,789  1,059  120 = 45547617,33 (kJ/h) Trong đó 1515,1 (kJ/kg) – hàm nhiệt NH3 khí 2714 (kJ/kg) – hàm nhiệt hơi nước ở 120 oC (II – 312) 397,1 (kJ/kg) – hàm nhiệt của khí CO 2 ở 120oC 1,059 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của khí N 2 ở 120oC (II – 203) 3.5. Nhiệt tổn thất ra môi trường: Qtt Coi nhiệt tổn thất bằng 0,5% tổng nhiệt vào Tổng nhiệt lượng ra: Qra = Q1 +Q2 + Q3 +Q4 + Qtt Tổng nhiệt lượng vào = Tổng nhiệt lượng ra Qvào = Qra  64533228,95 + x = [45547617,33 + 3773270,203 + 22648446,91 + 16314337,46 + (64533228,95 + x). 0,005] x = 241333777,98 (kJ/h)  Qvào =64533228,95 + 241333777,98 = 88667006,93 (kJ/h)  Qtt = 443335,035 (kJ/h) Lượng hơi nước tiêu tốn cho chưng luyện cấp I: DI = 241333777.98 1984 = 121640,009 (kg/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 62 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Tổng hợp cân bằng nhiệt lượng chưng phân giải cấp I – Bảng 9 Đầu vào Đầu ra Nhiệt theo dịch 64533228,95 vào Nhiệt do hơi cấp 241333777,98 Nhiệt theo dịch ra 16314337.46 Nhiệt phân hủy 22648446.91 cacbamat Nhiệt tách NH3 3773270.203 Nhiệt theo pha khí 45547617.33 ra Tổng 305867006.93 Nhiệt tổn thất 443335.035 Tổng 305867006.93 III. Cân bằng nhiệt lượng chưng phân giải cấp II 1. Các số liệu ban đầu Áp suất làm việc: 3  105 (N/m2) Nhiệt độ dịch vào: 160oC Nhiệt độ dịch ra: 140oC Urê bị phân hủy: 976,55 (kg/h) Lượng dịch vào: 36614,798 (kg/h) Lượng dịch ra: 30314,378 (kg/h) Lượng khí ra: 6300,419 (kg/h) 2. Nhiệt vào 2.1. Nhiệt theo dịch vào = nhiệt theo dịch ra ở chưng phân giải cấp I Q1 = 16314337,46 (kJ/h) 2.2. Nhiệt tỏa ra khí phân hủy Urê Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 63 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 976.55 x26270 60 Q2 = = 427566,142 (kJ/h) Trong đó 26270 (kJ/mol) – nhiệt lượng của Urê ở 160oC 2.3. Nhiệt theo hơi nước vào: x (kJ/h) Tổng nhiệt lượng vào: Qv = 16741903,6 + x (kJ/h) 3. Nhiệt ra 3.1. Nhiệt tiêu hao để phân hủy cacbamat Q1 = 1462,86 x 159320  25140 = 196286554,8 (kJ/h) 78 Trong đó: 1462.86 Lượng cacbarmat còn lại trong pha lỏng chưng luyện cấp 2 3.2, Nhiệt tiêu hao để tách NH3 dư Q2 = 2277,346 x34280 17 = 4592201,228 (kJ/h) Trong đó 2277,346 (kg/h) – lượng NH3 dư 34280 (kJ/kmol) – nhiệt hòa tan 1 kmol khí NH 3 trong 5 kmol H2O 3.3. Nhiệt ra theo khí chưng luyện ở nhiệt độ 110 oC Q3 = 3468,381  1527,5 + 1541,339  388,3 + 1290,529  2700 = 9380882,211 (kJ/h) Trong đó 3468,381; 1541,339; 1290,529 (kg/h) – lượng NH 3, CO2, H2O trong pha khí 1527,5; 388,3; 2700 (kJ/kmol) – nhiệt lượng riêng tương ứng của NH3; CO2; H2O (II – 313) 3.4. Nhiệt ra theo dịch ở nhiệt độ 140oC Q4 = (19921,62  2,014 + 10392.758  4,27)  140 = 11829890,71 (kJ/h) Trong đó 19921.62 (kg/h) – lượng Urê trong dịch ra 10392,758 (kg/h) – lượng nước trong dịch ra Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 64 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 2,014 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung Urê ở nhiệt độ 140 oC 4,27 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung H 2O ở 140oC (II – 172) 3.5. Nhiệt tổn thất ra môi trường xunh quanh Lấy Qtt = 0,5% Qv Tổng nhiệt lượng ra: Qr = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 +Qtt = 11829890,71 + 9380882,211 + 4592201,228 + 196286554,8 + (16741903,6 + x)  0,005 (kJ/h) Tổng nhiệt lượng vào = Tổng nhiệt lượng ra 16741903,6 + x = 222173238,5 + 0,005. x x = 206463653,2 (kJ/h)   Qv = 223205556,8 (kJ/h)  Qtt = 0,005  223205556,8 = 1116027,784 (kJ/h) Lượng hơi nước cần thiết cho giai nhiệt chưng luyện phân giải cấp II DII = 206463653,2 1984 = 104064.341 (kJ/h) Tổng hợp cân bằng nhiệt lượng chưng phân giải cấp II – Bảng 10 Đầu vào (kJ/h) Nhiệt theo dịch Đầu ra (kJ/h) 16314337,46 vào Nhiệt phân hủy 427566,142 206463653,2 nước Tổng 196286554,8 Cacbamat Urê Nhiệt theo hơi Nhiệt phân hủy 223205556,8 Nhiệt tách NH3 dư 4592201,228 Nhiệt theo khí ra 9380882,211 Nhiệt theo dịch ra 11829890,71 Nhiệt tổn thất 1116027,784 Tổng 223205556,8 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 65 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê IV. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị bốc hơi nhanh. 1.Các số liệu ban đầu. Áp suất làm việc : p = 250 (mmHg) Nhiệt độ dịch vào : 140 oC Nhiệt độ dịch ra : 95 oC Luợng dịch vào : 30314,378 (kg/h) Lượng dịch ra : 28146,517(kg/h) Lượng khí ra : 2167,861 (kg/h) 2 .Tính toán. 2.1. Nhiệt vào. 2.1. Nhiệt theo dịch vào. Q1 = (19921,62 . 2,014 + 10392,758 . 4,27)x140 = 11632618,71 (kJ/h) 1.2) Nhiệt theo hơi nước vào . Q2 = x (kJ/h) 2. Nhiệt ra. 2.1. Nhiệt ra theo dịch ở 95 oC Q1 = (19921,62 . 1,845 + 8224,897 . 4,216) x 95 = 6785947,692 (kJ/h) 2.2. Nhiệt ra theo hơi nước. Q2 = 2167,861. 2762 = 5987612,082 (kJ/h) 2.3) Nhiệt tổn thất. Qtt = 0,5 %.Qv Tổng nhiệt ra . Qr = 6785947,692 + 5987612,082 + 0,005.(x + 11632618,71) = 12831422,87 + 0.005.x Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 66 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Tổng nhiệt vào = Tổng nhiệt ra 11632618,71 + x = 12831422,87 + 0,005.x  x = 1205169,807 (kJ/h) Lượng nước cần cung cấp : m= 1205169,807 518,513 2324,2 (kg/h) Tổng hợp cân bằng nhiệt luợng thiết bị bốc hơi chân không Đầu vào Tên gọi Đầu ra kJ/h Tên gọi kJ/h Nhiệt theo dịch vào 11632618,71 Nhiệt ra theo dịch Nhiệt theo hơi đốt vào 1205169,807 Nhiệt ra theo hơi 5987612,082 nước Tổng cộng 12837448,22 6785947,692 Nhiệt tổn thất 64188,442 Tổng cộng 12837448,22 V. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị cô đặc đoạn I 1. Các số liệu ban đầu Độ chân không của thiết bị: P = 520 mmHg Nồng độ dung dịch đầu: 70,78% Nhiệt độ dung dịch vào: 95oC Nồng độ dung dịch cuối: 96% Nhiệt độ dung dịch ra: 130oC Lượng nước bay hơi: 7369,833 (kg/h) Lượng Urê bị phân hủy: 99,608 (kg/h) Lượng NH3 bay hơi: 54,745 (kg/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 67 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Lượng CO2 bay hơi: 73,046 (kg/h) 2. Nhiệt vào 2.1. Nhiệt theo dịch vào: Q1 = 19921,62  1,845  95 + 8224,897  4,216  95 = 6785997,692 (kJ/h) Trong đó 19922,62 (kg/h) – lượng Urê vào 8224,897 (kg/h) – lượng nước vào 1,845 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng Urê ở 95 oC 4,216 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng nước ở 95 oC 2.2, Nhiệt cấp theo hơi nóng cho cô đặc đoạn I Q2 = x (kJ/h) 2.3, Nhiệt do tận dụng khí từ chưng phân giải cấp I Với nhiệt độ khí vào là 120oC, nhiệt độ khí ra là 105oC, nhiệt cấp cho dung dịch Q3 = 26235,027 (1,674 120 – 1,608 105) = 840570,265 (kJ/h) Trong đó 1,674 (kJ/kg.độ) và 1,608 (kJ/kg.độ) – lần lượt là nhiệt dung riêng của NH3 ở 120oC và 105oC [III – 156] 3. Nhiệt ra 3.1. Nhiệt theo dịch ra Q1 = (19825,012  1,989 + 826.042  4,266)  130 = 5584259,725 (kJ/h) 3.2. Nhiệt cần thiết để phân hủy Q2 = 99.608 x 138050 60 = 221317,158 (kJ/h) 3.3. Nhiệt ra theo pha khí: Q3 = 7369,833  2726 + 54,745  2,3  130 + 73,046  0,954  130 = 20115592,68 (kJ/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 68 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Trong đó 7369,833 (kg/h); 54,745 (kg/h) và 73,046 (kg/h) – lần lượt tương ứng là lượng hơi nước, NH3 và CO2 trong pha khí ra 2726 (kJ/kg) – nhiệt lượng riêng của hơi nước 2,3 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của NH 3 ở 130oC 0,954 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của CO 2 ở 130oC 3.4. Nhiệt tổn thất ra môi trường: Qtt = 0,5%Qv Tổng lượng nhiệt ra: Qr = Q1 + Q2 +Q3 +Qtt = 25967166,65 + 0.005x Qv = 7626567,957 +x (kJ/h) Tổng nhiệt vào = Tổng nhiệt ra   x = 18432762,51 ( kJ/h) Qtt = 0,005 26059330.47 = 130296,652 (kJ/h) Lượng hơi nước cần cho cô đặc đoạn I: DIII = 18432762,51 1984 = 9290,707 (kg/h) Trong đó 1984 (kJ/kg) – ẩn nhiệt hóa hơi của nước Tổng hợp cân bằng nhiệt lượng cho cô đặc đoạn I – Bảng 11 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 69 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Đầu vào Đầu ra Nhiệt theo dịch 6785997.692 vào Nhiệt phân hủy 229181.407 Urê Nhiệt theo khí 840570.265 Nhiệt theo dịch ra 5584259.725 Nhiệt theo khí ra 20115592.68 18432762.51 Nhiệt tổn thất 130296.652 26059330.47 Tổng 26059330.47 chưng cấp I Nhiệt do hơi nước cung cấp Tổng VI. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị cô đặc đoạn II 1. Các số liệu ban đầu Độ chân không: P = 720 mmHg Nồng độ dịch vào: 96% Nhiệt độ dịch vào: 130oC Nhiệt độ dịch ra: 140oC Nồng độ dịch ra: 99,5% Lượng Urê bị phân hủy: 99,608 (kg/h) Lượng dịch ra: 20024.846 (kg/h) Lượng hơi thứ ra: 630.633 (kg/h) trong đó NH3 : 54.745 (kg/h) CO2 : 73.046 (kg/h) Hơi nước: 502.842 (kg/h) 2. Nhiệt vào 2.1. Nhiệt vào theo dịch Urê: Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 70 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Bằng nhiệt lượng theo dịch ra ở cô đặc đoạn I :  Q1 = 5584259,725 (kJ/h) 2.2. Nhiệt do hơi nước bão hòa cung cấp Q2 = x (kJ/h) 3. Nhiệt ra 3.1. Nhiệt theo dịch ra: Q1 = (19727,357  2,104 + 99,132  4,287)  140 = 5870387,322 (kJ/h) Trong đó 2,104 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của Urê ở 140 oC 4,287 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của nước ở 140 oC 3.2. Nhiệt phân hủy Urê: Q2 = 99,608 x 138050 60 = 229181,406 (kJ/h) 3.3. Nhiệt ra theo pha khí: Q3 = 502.842  2740 + 54.745  2,3  140 + 73.046  0,954 140 = 1396389.958 (kJ/h) Trong đó 2740 (kJ/kg) – nhiệt lượng riêng của nước ở 140oC 2,3 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của NH 3 ở 140oC 0,954 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của CO 2 ở 140oC 3.4. Nhiệt tổn thất: Qtt = 0,5%  Qv Tổng nhiệt lượng ra: Qr = Q1 + Q2 + Q3 + Qtt = 5870387,322 + 229181,406 + 1396389,958 + 0,005  Qv = 7495958,686 + 0,005  Qv Tổng nhiệt lượng vào = Tổng nhiệt lượng ra Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 71 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Qr = 7479752,834 + 0,005  Qv  Qv = 5584259.725 + x (kJ/h) x = 1949367.095   (kJ/h) Qtt = 0,005  Qv = 37668.134 (kJ/h) Lượng hơi nước cần thiết để cung cấp nhiệt: D4 = 1949367.095 2057 = 947.675 (kg/h) Trong đó 2057 (kJ/kg) – ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 140 oC Tổng hợp cân bằng nhiệt cô đặc đoạn II – Bảng 12 Đầu vào Nhiệt theo dịch Vào Đầu ra 5584259.725 1949367.095 Nhiệt theo hơi đốt Tổng 7533626.82 Nhiệt theo khí ra 1396389.958 Nhiệt phân hủy 229181.406 Urê Nhiệt theo dịch ra 5870387.322 Nhiệt tổn thất 37668.134 Tổng 7533626.82 VII. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị hấp thụ. 1.Các số liệu ban đầu. Áp suất làm việc : 105 (N/m2) Nhiệt độ khí từ thiết bị ngưng tụ cấp I sang : 40 oC Nhiệt độ hơi thứ vào : 40 oC Nhiệt độ dung dịch muối vào nhả hấp thụ : 40 oC Nhiệt độ nước làm lạnh vào : 25o C Nhiệt độ nước làm lạnh ra :37 oC Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 72 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 2.Tính toán. 2.1)Nhiệt toả ra khi ngưng tụ NH3 khí từ ngưng tụ cấp I sang và bị hấp thụ thành NH4OH Q1 = 213.179 x 34280 17 = 429869,184 (kJ/h) 34280 (kJ/kg) - Nhiệt hoà tan tích phân của NH 3 trong nước 213,179 (kg/h) - Lượng NH3 theo khí từ thiết bị ngưng tụ cấp I sang Lượng nước cần thiết để làm lạnh ngưng tụ luợng NH 3 trên m= 429869.184 (37  25) x 4.18 = 8569,96 (kJ/h) Thể tích nước làm lạnh: V H 2O = 8569.96 996 = 8,604 (m3) Tổng hợp cân bằng nhiệt thiết bị hấp thụ Đầu vào Đầu ra Tên gọi kJ/h Tên gọi kJ/h Nhiệt ngưng tụ NH3 và bị tạo thành NH4OH 429869.184 Theo nước làm lạnh 429869.184 Tổng cộng 429869.184 Tổng cộng 429869.184 VIII. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị nhả hấp thụ. 1.Các số liệu ban đầu. Áp suất trong thiêt bị nhả hấp thụ : 3.105 (N/m2) Nhiệt độ dịch vào trao đổi nhiệt : 40 oC Nhiệt độ dịch vào nhả hấp thụ : 105 oC Nhiệt độ dịch ra khỏi tháp nhả ( sau trao đổi nhiệt) thải rãnh : 110 oC Áp suất hơi bão hoà : 8 at Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 73 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Nhiệt độ hơi bão hoà : 169,6 oC Nhiệt hoá hơi : 2057 (kJ/h) [ I - 313] 2. Nhiệt vào. 2.1. Nhiệt theo dịch vào ở 40 oC. Q1 = (323,262 x 4,86 + 144,66 x 0,963 + 10235,388 x 4,17) . 140 Q1 = 1775677,154 (kJ/h) 4,86 (kJ/kg oC) - Nhiệt dung của NH3 ở thể lỏng 0,963 (kJ/kg oC) - Nhiệt dung của CO2 ở 40 oC 4,17 (kJ/kg oC) - Nhiệt dung của nước ở 40 oC 2.2. Nhiệt theo hơi nước vào. Q2 = x (kJ/h) 3. Nhiệt ra. 3.1. Nhiệt ra theo pha khí . Q1 = 267,924 x 1495 + 73,046 x 375 +4352,85 x 2678 Q1 = 12084870,93 (kJ/h) Trong đó: 1495- Hàm nhiệt NH 3 khí ở 95 0C (kJ/kg) 375 – Hàm nhiệt của CO 2 ở 95 0C (kJ/kg) 2678 - Hàm nhiệt của H 2O ở 95 0C (kJ/kg) 3.2. Nhiệt ra theo dịch thải ở 110 oC Q2 = 55,338 x 1527,5 + 73,046 x 388,3 + (5853.241 + 29.297).465,6 Q2 = 2851802,25 (kJ/h) Trong đó: 1527,5 - Hàm nhiệt của NH 3 ở 110 0C (kJ/kg) 388,3 - Hàm nhiệt của CO 2 ở 110 0C (kJ/kg) 465,6 - Hàm nhiệt của H2O ở 110 0C (kJ/kg) 3.3. Nhiệt tách NH3. Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 74 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Q3 = 267,924 x 34280 = 17 540260,866 (kJ/h) Trong đó; 34280 - Nhiệt để tách NH 3 từ trong dung dịch NH4OH vào pha khí 3.4 Nhiệt tổn thất. Qtt = 1% . Qv Tổng nhiệt vào = Tổng nhiệt ra 1775677.154 + x = 12084870.93 + 2851802.25 + 540260.866 + 0,01(1775677.154 + x) x = 13857589.56 (kJ/h) Lượng nước cần thiết. D6 = 13857589.56 2057 = 6736.796(kg/h) Cân bằng nhiệt lượng hệ thống nhả hấp thụ . Đầu vào Tên gọi Đầu ra kJ/h Tên gọi kJ/h Nhiệt vào theo dịch 1775677.154 Nhiệt theo khí 12084870.93 Nhiệt theo hơi đốt 13857589.56 Nhiệt theo dịch 2851802.25 Nhiệt tách NH3 Nhiệt tổn thất Tổng cộng 15633266.71 Tổng cộng 540260.866 156332.667 15633266.7 IX.Cân bằng nhiệt lượng cho tháp rửa 1.Các số liệu ban đầu: Nhiệt độ khí chưng luyện vào tháp rửa : 110 oC Nhiệt độ dung dịch muối amoni ra khỏi tháp rửa : 100 o C Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 75 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Nhiệt độ dung dịch muối amoni loãng từ thiết bị ngưng tụ của chưng luyện II đi vào tháp rửa : 40 o C Nhiệt độ khí ra khỏi tháp rửa vào thiết bị ngưng tụ của chưng luyện cấp I : 50oC 2.Nhiệt vào 2.1, Nhiệt vào theo khí chưng luyện cấp I: Q1 = 4554617,33 (kj/h) 2.2, Nhiệt theo dung dịch amoni loãng từ thiết bị ngưng tụ cấp II: 2.2.1. Nhiệt theo NH3 hoà tan 3736,305 x 4,86 x 40 = 726317,692 ( kJ/h) 4,86 (kJ/kg độ) Nhiệt dung riêng của NH 3 ở 40 oC Bảng I.153 (II - 171) 2.2.1. Nhiệt theo CO2 hoà tan 1614,399 308,5 = 498048,092 (kJ/h) 308,5 (kJ/kg) Entanpi của CO2 phụ thuộc vào nhiệt độ t = 40 oC , p=17 105 (N/m2) Bảng XVIII (III - 185) 2.2.2, Nhiệt theo nước 5643,549 4,18 40 = 943601,393(kJ/h) 4,18 (kJ/kg độ) Nhiệt dung của nước ở nhiệt độ t = 40 oC Bảng I.153 ( II – 171) Q2 = 726317,692 + 498048,092 + 943601,393= 2167967,177 (kJ/h) 2.3. Nhiệt toả ra khi tạo thành NH4OH Q3 = 6684,269 29540 17 = 11614400,37 (kJ/h) Trong đó: 10420,574 – 3736,305= 6684,269 (kJ/h) – Là lượng NH 3 hoà tan trong nước 29540 (kJ/h) –Là nhiệt hoà tan tích phân của NH 3 trong nước 2.4. Nhiệt hấp thụ CO2 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 76 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Q4 = 7426,827 24700 44 = 4169140,611 (kJ/h) Trong đó: 7426,827 : Là lượng CO2 bị hấp thụ 24700 (kJ/kmol) : Nhiệt hoà tan CO2 Tổng nhiệt vào Qv = 4554617,33 + 2167967,177+ 11614400,37 + 4169140,611 = 22506125.49 (kJ/h) 3, Nhiệt ra 3.1, Nhiệt ra theo pha khí: Q1 = 19550,758 1293,7 + 97,174 2589,5 + 114,789 1,030 50 = 25550159,33 (kJ/h) Trong đó: 1293,7 (kJ/h) : Entanpi của NH3 Bảng XIX (III – 185) 2589,5 (kJ/h) : Nhiệt lượng riêng của hơi nước ở 50 oC Bảng I.250 ( II – 312) 1,030 (kJ/h) : Nhiệt dung riêng của Nitơ (II – 202) 3.2. Nhiệt ra theo dung dịch muối amoni: Q2 = 10420,574 x 1457 + 9041,226 x 367,7 + 6688,187 x 420,1 = 21316442,48 (kJ/h) 1457 (kJ/h) : Entanpi của NH3 367,7 (kJ/h) : Entanpi của CO2 Bảng XVIII [ III – 184 ] 420,1 (kJ/h) : Entanpi của H2O ở 100 o C Bảng XVII [ III - 184] Tổng nhiệt ra: Qr = 25550159,33 + 21316442,48 = 4686701,81 (kJ/h) Lượng nhiệt cần lấy ra khỏi tháp rửa: Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 77 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 22506125.49 – 4686701,81 = 17819423,68 (kJ/h) Nhiệt cần lấy ra khỏi tháp rửa được thực hiện bằng cách cung cấp NH 3 lỏng vào tháp Lượng NH3 cần cung cấp vào: m NH = 3 17819423,68 1054,6 = 16896,856 (kg/h) 1054,6 (kJ/kg) - Nhiệt bốc hơi của NH 3 ở 17 10 5 (N/m2) Tổng hợp cân bằng nhiệt lượng tháp rửa Đầu vào Tên gọi Theo khí chưng luyện cấp I KJ/h 4554617,33 Theo dung dịch muối amoni loãng 2167967,177 từ thiết bị NT cấp II Nhiệt phản ứng tạo 11614400,37 NH4OH Nhiệt hấp thụ CO2 4169140,611 Tổng cộng 89653254,86 Đầu ra Tên gọi KJ/h Theo pha khí Theo dung muối amoni dịch 25550159,33 Để bốc hơi NH3 17819423,68 lỏng Tổng cộng 89653254,86 X. Cân bằng nhiệt lượng của thiết ngưng tụ chưng luyện cấp 1 1,Các số liệu ban đầu Áp suất làm việc: 17 10 5 (N/m2) Nhiệt độ khí vào thiết bị ngưng tụ: 50 o C Nhiệt độ khí ra khỏi thiết bị ngưng tụ : 40 o C Nhiệt độ nước làm lạnh vào : 28 o C Nhiệt độ nước làm lạnh ra: 35 o C Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 78 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Lưọng khí vào (kg/h) : 19762,721 (kg/h) NH3 : 19550,758(kh/h) H2O : 97,174 (kg/h) Khí khác : 114,789 (kg/h) Lượng NH3 cung cấp để tưới vào tháp rửa: 16896,856 (kg/h) Nước vào theo lượng NH3 ấy: 16896,856 0,005 0,995 = 84,908 (kg/h) Tổng lượng NH3 vào: 19550,758+ 16896,856 = 36447,614 (kg/h) Thể tích NH3 vào thiết bị ngưng tụ: VNH 3 = 16898,856 22,4 17 = 22266,427 (m3/h) Thể tích các khí khác là:319,092 (m3/h) Thể tích các khí khác vào thiết bị ngưng tụ: VH 2 O = (315,294  120,389) 22,4 = 542,183 (kg/h) 18 Áp suất riêng của cáckhí khác và hơi nước vào thiết bị ngưng tụ: Pkhí khác+H 2 O = (319,092  542,183) 17 10 5 79156,995  319,092  542,18 5 = 0,183 10 (N/m2) Vì áp suất riêng của các tạp khí và hơi nước là không đáng kể cho nên những tính toán sau này không tính đến nó. 2, Nhiệt vào: 2.1, Nhiệt ngưng tụ NH3 Q1 = (139033,069 – 450,374) (1293,6 – 190) = 152939862,2 (kJ/h) Trong đó: 1293,6 (kJ/kg); 190 (kJ/kg) Entanpi của NH 3 lỏng ở 50 oC , 40 oC Bảng XIII [IV - 173] Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 79 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê 2.2, Nhiệt làm lạnh các khí: Q2 = 242,509 1,030 (50  40) = 2497,843 (kJ/h) 2.3, Nhiệt làm lạnh hơi nước Q3 = (315,294 + 120,389) 1,950 (50  40) = 8495,818 (kJ/h) 1.950 (kJ/kg độ) Nhiệt dung riêng của hơi nước 2.4, Nhiệt được lấy đi từ NH3 chưa bị ngưng tụ: Q4 = 450,374 (1295  1293) = 900,748 (kJ/h) 2.5, Nhiệt toả ra do hơi nước ngưng tụ và hoà tan trong NH 3 lỏng: Q5 = (315,294 + 120,389) (1900  1641) = 112841,897 (kJ/h) 1900 (kJ/h) Nhiệt ngưng tụ của hơi nước 29540 1641 18 (kJ/h) Nhiệt tạo thành NH4OH Tổng nhiệt cần phải lấy đi bằng nước làm lạnh: Q = 152939862,2 + 2497,843 + 8495,818 + 900,748 + 112841,897 = 153064598,5 (kJ/h) Tiêu hao nước cho thiết bị ngưng tụ của chưng luyện cấp I: 153064598,5 (35  28) 1000 4,19 = 5218,704 (m3/h) 4,19 (kJ/kg độ) Nhiệt dung của nước Tổng hợp cân bằng nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ chưng luyện cấp I Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 80 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Đầu vào Tên gọi Đầu ra KJ/h Nhiệt ngưng tụ NH3 152939862,2 Làm lạnh tạp khí 2497,843 Làm lạnh hơi nước 8495,818 Làm lạnh NH3 chưa ngưng tụ 900,748 NT và hoà tan hơi nước 112841,897 Tổng cộng 153064598,5 Tên gọi KJ/h Theo nước làm lạnh 153064598,5 Tổng cộng 153064598,5 XI. Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ chưng luyện cấp 2 1. Các số liệu ban đầu: Áp suất trong thiết bị ngưng tụ (N/m2) : 3 10 5 Nhiệt độ khí chưng luyện vào thiết bị trao đổi nhiệt : 110 oC Nhiệt độ khí từ thiết bị nhả hấp thụ sang : 95 o C Nhiệt độ dung dịch muối amoni loãng ra khỏi thiết bị ngưng tụ : 40 oC Nước làm lạnh thiết bị ngưng tụ có nhiệt độ (oC) Đầu : 28 Cuối : 35 Luợng và thành phần khí từ thiết bị nhả hấp thụ vào thiết bị ngưng tụ (kg/h) NH3 : 14032,56 CO2 : 6135,074 H2Oh : 5210,342 Lượng và thành phần khí từ thiết bị nhả hấp thụ vào thiết bị ngưng tụ (kg/h) NH3 : 686,577 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 81 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê CO2 : 305,674 H2O : 18039,395  2. Nhiệt vào Theo khí chưng luyện cấp II 2.1, Nhiệt toả ra của NH3 khí khi làm lạnh nó từ 110 oC - 40 oC Q1 = 14032,56 (1527,5 – 1364,6) = 2285904,024 (kJ/h 1364,6 (kJ/kg) Entanpi của NH3 ở 40 oC và 3 10 5 (N/m2) Bảng XVIII [ III - 185] 2.2. Nhiệt làm lạnh CO2. Q2 = 6135,074 (388,3 – 323,9) = 395098,765 (kJ/h) 388,3 (kJ/h) :Entanpi của CO2 ở 110 oC , áp suất 3 10 5 (N/m2) Bảng XVIII [III - 184] 323,9 (kJ/h) : Entanpi CO2 ở 40 oC , áp suất 3 10 5 (N/m2) 2.3. Nhiệt làm lạnh ngưng tụ hơi nước Q3 = 5210,342 (2697  167,7) = 13178518,02 (kJ/h) 2697 (kJ/kg) :Entanpi của H2O ở 140 oC , áp suất 3 10 5 (N/m2) 167,7 (kJ/h) :Entanpi của H2O ở 40 oC , áp suất 3 10 5 (N/m2) Theo khí từ nhả hấp thụ sang 2.4. Nhiệt toả ra của NH3 khi làm lạnh nó từ 95 oC đến 40 oC Q4 = 686,577 (1495  1364,2) = 89804,272 (kJ/h) 1495 ; 1364,2 (kJ/kg) :Entanpi của CO2 ở 95 oC , 40 oC Bảng XIX [ III-185] 2.5. Nhiệt làm lạnh CO2 Q5 = 305,674 (373,3  323,9) = 15100,295 (kJ/h) 373,2 ; 323,9 (kJ/h) :Entanpi của CO2 ở 95 oC , 40 oC 2.6. Nhiệt làm lạnh và ngưng tụ hơi nước Q6 = 18039,395 (2691  167,7) = 45518805,4 (kJ/h) 2.7. Nhiệt hoà tan CO2 Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 82 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Q7 = (6135,074  305,674) 24700 = 3615601,718 (kJ/h) 44 24700 (kJ/kg) Nhiệt hòa tan tích phân của CO2 (kJ/mol) 2.8. Nhiệt hoà tan NH3 Q8 = 14032,56  686,577 29540 17 = 25576665,12 (kJ/h) 29540 (kJ/kg) Nhiệt hoà tích phân của NH3 (kJ/kmol) Tổng nhiệt vào Qv = 2285904,024 + 395098,765 + 13178518,02 + 89804,272 + 15100,295 + 45518805,4 + 3615608,71 + 25576665,12 =90675497,61 (kJ/h) 3. Nhiệt ra 3.1, Nhiệt ra theo dung dịch muối amoni loãng ( tính toán ở tháp rửa) Q1 = 83353291,52 (kJ/h) 3.2, Nhiệt cần phải lấy ra Q2 = Qv – Q1 = 90675497,61 – 83353291,52 = 7322206,09 (kJ/h) Lượng nước cần thiết mH 2O = 7322206,09 (35  28) 1000 4,19 = 249,649 (kg/h) Tổng hợp cân bằng nhiệt thiết bị ngưng tụ cấp II Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 83 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Đầu vào Tên gọi Đầu ra KJ/h Theo khí chưng luyện Theo NH3 khí 2285904,024 Theo CO2 395098,765 Theo hơi nước Tên gọi KJ/h Theo dung dịch muối amoni loãng 83353291,52 Theo nước làm lạnh 7322206,09 13178518,02 Theo khí từ nhả hấp thụ 89804,272 Theo NH3 khí CO2 khí 15100,295 Hơi nước 45518805,4 Nhiệt hấp thụ CO2 3615601,718 Nhiệt tạo thành NH4OH 25576665,12 Tổng cộng 90675497,61 Tổng cộng 90675497,61 XII. Cân bằng nhiệt lượng quá trình kết tinh tạo hạt 1. Các số liệu ban đầu: Lượng dịch vào tháp: 20024,846 (kg/h) trong đó Lượng Urê: 19727.357 (kg/h) Lượng nước: 297.489 (kg/h) Nhiệt độ dịch nóng lỏng vào tháp tạo hạt: 140oC Nhiệt độ Urê ra khỏi tháp tạo hạt: 70oC Độ ẩm không khí: 85% Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 84 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Lượng không khí vào tháp: 100000 (m 3/h) Nhiệt độ không khí vào tháp: 25 oC 2, Nhiệt vào 2.1, Nhiệt vào theo dịch nóng lỏng Bằng nhiệt theo dịch ra ở cô đặc đoạn II  Q1 = 5870387,322 (kJ/h) 2.2, Nhiệt tỏa ra khi kết tinh Urê, nghĩa là chuyển nó từ trạng thái nóng chảy thành trạng thái tinh thể: Q2 = 19727,357  242,5 = 4783884,073 (kJ/h) Trong đó 242,5 (kJ/kg) – nhiệt nóng chảy của Urê 2.3, Nhiệt vào theo không khí: Lượng không khí khô: gkkk = 100000 = 112994,350 (kg/h) 0,885 Trong đó 0,885 (m3/kg KKK) – thể tích không khí ẩm đối với 1 kg không khí khô Q3 = 112994,350  69,19 = 7818079,077 (kJ/h) Trong đó 69,19 (kJ/kg) – nhiệt lượng riêng của không khí khô ở 25 oC Tổng nhiệt vào: Q v = Q1 + Q2 + Q3 = 5870387.322 + 4783884.073 + 7818079,077 = 18472350.47 (kJ/h) 3, Nhiệt ra 3.1, Nhiệt theo Urê tinh thể ra khỏi tháp: Q1 = (19727.357 1,347 + 297.489 4,192) 70 = 1947387.664 (kJ/h) Nguyễn Minh Thành – CN Vô cơ K47 85 Đồ án tốt nghiệp -Thiết kế dây chuyền sản xuất Urê Trong đó 1,347 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của Urê ở 70 oC 4,192 (kJ/kg.độ) – nhiệt dung riêng của nước ở 70 oC Quá trình kết tinh trong tháp tạo hạt, hơi nước trong không khí ngưng tụ một phần vào trong sản phẩm, do sự chênh lệch độ ẩm trong không khí và sản phẩm. 3.2, Lượng nhiệt ra theo không khí: Q2 = Qv – Q1 = 18472350.47 - 1947387.664 = 16524962.81 (kJ/h) Nhiệt lượng riêng của không khí ra khỏi tháp: 16524962.81: 112957 = 146,294 (kJ/kg) Tổng hợp cân bằng nhiệt lượng quá trình kết tinh – Bảng 13 Đầu vào Đẩu ra Tên gọi k...