ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



CỔ KIM DŨNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TRAO ĐỔI NHIỆT
CỦA HỆ THỐNG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
XƢỞNG URÊ – NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ
BẰNG PHẦN MỀM HTRI
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT HÓA DẦU
MÃ SỐ : 605355

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2012


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. HUỲNH QUYỀN
Cán bộ chấm nhận xét 1: .....................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: .....................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. .................................................................................................................
2. .................................................................................................................
3. .................................................................................................................
4. .................................................................................................................
5. .................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày 04 tháng 7 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

CỔ KIM DŨNG

Phái: Nam


Ngày/ tháng/ năm sinh:

21/11/1988

Nơi sinh: T.T.Huế

Chuyên ngành:

Kỹ thuật hoá dầu

MSHV: 11406015

I – TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA HỆ THỐNG
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT XƢỞNG URÊ – NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ
BẰNG PHẦN MỀM HTRI.
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Mô phỏng các thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ ống của xƣởng Urê – nhà máy
Đạm Phú Mỹ bằng HTRI.

-

Đánh giá hiệu quả truyển nhiệt, mức độ đáp ứng của các tiện ích phụ trợ
trong các thiết bị trao đổi nhiệt đó ở điều kiện hoạt động mới hiện tại. So
sánh với khi thiết kế hiện tại xƣởng Urê đang tăng tải sản xuất do đƣợc bổ
sung nguồn CO2 thu hồi từ xƣởng Amoniac gửi sang.

-


Đánh giá nguyên nhân, đề xuất biện pháp cải tiến hoặc thay đổi thơng số
thích hợp với từng ngun nhân cụ thể.

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 04 tháng 7 năm 2012
IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 18 tháng 12 năm 2012
V – CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

TS. HUỲNH QUYỀN

TS. HUỲNH QUYỀN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

KHOA QL CHUYÊN

QL CHUYÊN NGÀNH

NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Trƣớc tiên, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS. Huỳnh Quyền, ngƣời thầy
đã trực tiếp hƣớng dẫn và động viên tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn. Sự
chỉ bảo chân tình của thầy đã cho tơi những bƣớc đi quan trọng để có thể hồn
thành luận văn này.
Tơi cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cơ trong khoa Kỹ thuật Hóa học –
Trƣờng Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và trang bị cho
tơi những kiến thức quý báu trong trong suốt thời gian học cao học. Đồng thời tôi
cũng rất cảm ơn những anh chị tại Trung tâm Nghiên cứu Cơng nghệ Lọc Hóa dầu

– Trƣờng Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh cũng nhƣ các anh tại xƣởng Urê –
nhà máy Đạm Phú Mỹ đã hỗ trợ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng
giúp tơi hồn thành luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, ngƣời thân và bạn
bè đã ln giúp đỡ động viên tơi trong học tập và cuộc sống. Những tình cảm q
báu đó ln là động lực thúc đẩy tơi phấn đấu để có đƣợc kết quả nhƣ ngày hơm
nay.

i


ABSTRACT

The need for proper energy management has considerably increased the
importance of heat exchanging equipment over the past 2-3 decades. To day, there
is virtually no chemical, food processing or power generating facility without a
whole variety of heat exchangers. The heat exchanger system of Urea unit, Phu My
fertiliser plant is very diversity and variety. This thesis focuses on the shell and tube
heat exchanger equipment.
The thesis was conducted to collect design parameters and operating
parameters of the heat exchanger equipment of Urea unit, and the thesis was
simulated it in HTRI software (Heat Transfer Research Inc.). Then, the thesis has
evaluated the heat transfer effective of each heat exchange equipment. With some
equipments are overloaded, the thesis has proposed the cause and treatment. With
some equipments active stability, the thesis has calculated the maximum work
capacity of each device. The thesis also supply the data on heat exchanged duty,
overall heat transfer rate, heat transfer coefficient, pressure drop, the actual velocity
of streams and few other parameters of heat exchange equipment of Urea unit.

ii



TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nhu cầu quản lý năng lƣợng riêng đã làm tăng đáng kể tầm quan trọng của
các thiết bị trao đổi nhiệt trong hơn 2 đến 3 thập kỷ qua. Ngày nay, hầu nhƣ khơng
có nhà máy hóa chất, quy trình cơng nghệ thực phẩm hay cơng trình phát điện nào
mà khơng có các thiết bị trao đổi nhiệt. Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt của xƣởng
Urê, nhà máy Đạm Phú Mỹ rất đa dạng và nhiều loại. Luận văn tập trung vào các
thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ ống.
Luận văn đã tiến hành thu thập thông số thiết kế và thông số vận hành của
các thiết bị trao đổi nhiệt xƣởng Urê, mô phỏng lại trong phần mềm HTRI (Heat
Transfer Research Inc.). Từ đó, luận văn đã đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt của
từng thiết bị trao đổi nhiệt. Với những thiết bị bị quá tải, luận văn đề xuất nguyên
nhân và cách xử lý. Với những thiết bị còn hoạt động ổn định, luận văn tính tốn
khả năng làm việc tối đa của mỗi thiết bị. Đồng thời luận văn cũng cung cấp bộ số
liệu về nhiệt trao đổi, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt , tổn thất áp suất, vận tốc
dịng thực tế và một vài thơng số khác về các thiết bị trao đổi nhiệt xƣởng Urê.

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
ABSTRACT ................................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................... iii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... ix
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................... xi

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1
1.1.

Tình hình nghiên cứu ...................................................................................... 1

1.2.

Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 1

1.3.

Ý nghĩa đề tài .................................................................................................. 3
1.3.1. Ý nghĩa khoa học kỹ thuật ......................................................................... 3
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn........................................................................................ 4
Mục tiêu đề tài ................................................................................................. 4

1.4.

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN .......................................................................................... 6
Tổng quan về nhà máy Đạm Phú Mỹ ............................................................. 6

2.1.

2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển ................................................................ 6
2.1.2. Nguyên liệu sản xuất và sản phẩm nhà máy .............................................. 6
2.1.2.1. Nguyên liệu sản xuất.................................................................................. 6
2.1.2.2. Sản phẩm.................................................................................................... 8
2.1.3. Quy trình cơng nghệ .................................................................................. 9
2.1.3.1. Phân xƣởng Amoniac ................................................................................ 9
2.1.3.2. Phân xƣởng Urê ......................................................................................... 9

a.

Phản ứng tổng hợp...................................................................................................... 10

b.

Tinh chế urê và thu hồi NH3, CO2 trung và thấp áp ................................................... 11

c.

Cụm cô đặc urê .......................................................................................................... 14

d.

Tạo hạt urê .................................................................................................................. 15

e.

Xử lý nƣớc công nghệ ................................................................................................ 16

f.

Các hệ thống phụ trợ .................................................................................................. 18

g.

Hệ thống hơi ............................................................................................................... 18

iv



h.

Hệ thống nƣớc rửa ...................................................................................................... 20

i.

Các dòng thải lỏng và khí ........................................................................................... 21

j.

Danh sách thiết bị ....................................................................................................... 24

Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt xƣởng Urê ................................................... 28

2.2.

2.2.1. Đại cƣơng về thiết bị trao đổi nhiệt ......................................................... 28
2.2.1.1.

Định nghĩa ........................................................................................................ 28

2.2.1.2.

Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt ....................................................................... 29

2.2.1.3.

Các bƣớc tính thiết kế và kiểm tra một thiết bị trao đổi nhiệt .......................... 30


2.2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt của xƣởng Urê ...................................................... 31
2.3.

Hệ thống điều khiển trong phân xƣởng Urê .................................................. 33

2.4.

Phần mềm HTRI ............................................................................................ 36
2.4.1. Sử dụng module Xist trong HTRI ........................................................... 38
2.4.2. Phƣơng pháp tính tốn trong module Xist .............................................. 41
2.4.3. Ý nghĩa over design trên Xchanger Suite ............................................... 42
2.4.4. Đánh giá kết quả thiết kế từ phần mềm HTRI ......................................... 43

CHƢƠNG 3:MÔ PHỎNG CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT XƢỞNG URÊ ..... 44
3.1.

Mô phỏng thiết bị Stripper E-1001 ............................................................... 44
3.1.1. Thông tin thiết bị E-1001 ......................................................................... 44
3.1.2. Các bƣớc mô phỏng E-1001 .................................................................... 45

3.2.

Thiết bị E-1002A/B ....................................................................................... 51

3.3.

Thiết bị E-1003 .............................................................................................. 53

3.4.


Thiết bị E-1004 .............................................................................................. 54

3.5.

Thiết bị E-1005A ........................................................................................... 56

3.6.

Thiết bị E-1005B ........................................................................................... 57

3.7.

Thiết bị E-1006 .............................................................................................. 58

3.8.

Thiết bị E-1007 .............................................................................................. 59

3.9.

Thiết bị E-1008 .............................................................................................. 60

3.10.

Thiết bị E-1009 .............................................................................................. 61

3.11.

Thiết bị E-1010 .............................................................................................. 62


3.12.

Thiết bị E-1011 .............................................................................................. 63

3.13.

Thiết bị E-1013 .............................................................................................. 64

v


3.14.

Thiết bị E-1014 .............................................................................................. 65

3.15.

Thiết bị E-1015 .............................................................................................. 66

3.16.

Thiết bị E-1018 .............................................................................................. 67

3.17.

Thiết bị E-1023 .............................................................................................. 68

3.18.

Thiết bị E-1030 .............................................................................................. 69


3.19.

Thiết bị E-1031 .............................................................................................. 70

3.20.

Thiết bị E-1032 .............................................................................................. 71

3.21.

Thiết bị PK3/E1 ............................................................................................. 72

3.22.

Thiết bị PK4/E1 ............................................................................................. 73

Chƣơng 4: Kết quả và bàn luận .................................................................................... 74
4.1.Đánh giá hiệu quả thiết bị trao đổi nhiệt ................................................................ 74
4.1.1. Chạy chƣơng trình HTRI ......................................................................... 74
4.1.2. Kết quả đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt các thiết bị trao đổi nhiệt ........ 75
4.2.Nhận xét về hiệu quả trao đổi nhiệt của các thiết bị và đánh giá khả năng hoạt
động tối đa của thiết bị ở từng điều kiện cụ thể ........................................................... 78
4.2.1. E-1001 ...................................................................................................... 78
4.2.2. E-1002A/B ............................................................................................... 79
4.2.3. E-1003 ...................................................................................................... 80
4.2.4. E-1004 ...................................................................................................... 80
4.2.5. E-1005A ................................................................................................... 80
4.2.6. E-1005B ................................................................................................... 81
4.2.7. E-1006 ...................................................................................................... 81

4.2.8. E-1007 ...................................................................................................... 81
4.2.9. E-1008 ...................................................................................................... 82
4.2.10. E-1009 ...................................................................................................... 82
4.2.11. E-1010 ...................................................................................................... 83
4.2.12. E-1011 ...................................................................................................... 83
4.2.13. E-1013 ...................................................................................................... 83
4.2.14. E-1014 ...................................................................................................... 84
4.2.15. E-1015 ...................................................................................................... 84

vi


4.2.16. E-1018 ...................................................................................................... 84
4.2.17. E-1023 ...................................................................................................... 85
4.2.18. E-1030 ...................................................................................................... 85
4.2.19. E-1031 ...................................................................................................... 85
4.2.20. E-1032 ...................................................................................................... 86
4.2.21. PK3/E1 ..................................................................................................... 86
4.2.22. PK4/E1 ..................................................................................................... 87
4.3.Tiêu hao tiện tích phụ trợ tổng ............................................................................... 87
5.1. Kết luận ................................................................................................................. 90
5.2. Đề nghị .................................................................................................................. 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 92
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 94

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Tình hình Cung-Cầu của thị trƣờng phân urê Việt Nam ............................... 2

Bảng 2.1: Các nguồn thải khí liên tục .......................................................................... 22
Bảng 2.2: Các nguồn thải khí gián đoạn ...................................................................... 23
Bảng 2.3: Nguồn thải liên tục ...................................................................................... 24
Bảng 2.4 : Các module trong HTRI ............................................................................. 36
Bảng 3.1: Thông số thiết kế cơ bản của thiết bị E-1001 .............................................. 44
Bảng 3.2: Thông số thiết kế cơ bản của thiết bị E-1002A/B ....................................... 51
Bảng 3.3: Thông số thiết kế cơ bản của thiết bị E-1003 .............................................. 53
Bảng 3.4: Thông tin thiết kế E-1004 ............................................................................ 55
Bảng 3.5: Thông tin thiết kế E-1005A ......................................................................... 56
Bảng 3.6: Thông tin thiết kế E-1005B ......................................................................... 57
Bảng 3.7: Thông tin thiết kế E-1006 ............................................................................ 58
Bảng 3.8: Thông tin thiết kế E-1007 ............................................................................ 59
Bảng 3.9: Thông tin thiết kế E-1008 ............................................................................ 60
Bảng 3.10: Thông tin thiết kế E-1009 .......................................................................... 61
Bảng 3.11: Thông tin thiết kế E-1010 .......................................................................... 62
Bảng 3.12: Thông tin thiết kế E-1011 .......................................................................... 63
Bảng 3.13: Thông tin thiết kế E-1013 .......................................................................... 64
Bảng 3.14: Thông tin thiết kế E-1014 .......................................................................... 65
Bảng 3.15: Thông tin thiết kế E-1015 .......................................................................... 66
Bảng 3.16: Thông tin thiết kế E-1018 .......................................................................... 67
Bảng 3.17: Thông tin thiết kế E-1023 .......................................................................... 68
Bảng 3.18: Thông tin thiết kế E-1030 .......................................................................... 69
Bảng 3.19: Thông tin thiết kế E-1031 .......................................................................... 70
Bảng 3.20: Thông tin thiết kế E-1032 .......................................................................... 71
Bảng 3.21: Thông tin thiết kế PK3/E1 ......................................................................... 72
Bảng 3.22: Thông tin thiết kế PK4/E1 ......................................................................... 73
Bảng 4.1: Kết quả tính tốn các thơng số của thiết bị .................................................. 76
Bảng 4.2: Kết quả tính tốn phần trăm over desgin ..................................................... 77

viii



DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ tổng qt nhà máy................................................................................ 6
Hình 2.2: Lƣợc đồ mơ tả phân xƣởng Amoniac ............................................................ 7
Hình 2.3: Lƣợc đồ mơ tả phân xƣởng Urea ................................................................... 7
Hình 2.4: Sơ đồ mơ tả tổng qt phân xƣởng Amoniac ................................................ 9
Hình 2.5: Lƣợc đồ mơ tả hoạt động của phân xƣởng Urea ............................................ 9
Hình 2.6: Sơ đồ cơng nghệ tổng quát xƣởng Urê ........................................................ 32
Hình 2.7: Một màn hình điều khiển DCS xƣởng Urê (khu tổng hợp cao áp) .............. 35
Hình 2.8: Vào mơi trƣờng mơ phỏng thiết bị chùm ống (Xist) ................................... 38
Hình 2.9: Mơi trƣờng mơ phỏng thiết bị chùm ống ..................................................... 39
Hình 3.1: Nhập các thơng số phía vỏ ........................................................................... 45
Hình 3.2: Nhập các thơng số phía ống ......................................................................... 45
Hình 3.3: Nhập thơng số tấm chắn (baffle) .................................................................. 46
Hình 3.4: Nhập dữ liệu cho ống nối (nozzle) ............................................................... 47
Hình 3.5: Khai báo vị trí ống nối (nozzle) ................................................................... 47
Hình 3.6: Nhập dữ liệu dịng cơng nghệ ...................................................................... 48
Hình 3.7: Nhập dữ liệu dịng nóng ............................................................................... 49
Hình 3.8: Nhập dữ liệu cho dịng nguội ....................................................................... 50
Hình 3.9: Nhập dữ liệu cho cấu tử Urê ........................................................................ 50
Hình 3.9: Nhập dữ liệu cho cấu tử Urê ........................................................................ 50
Hình 3.10: Nhập dữ liệu cho E-1002A ........................................................................ 52
Hình 3.11: Nhập dữ liệu cho E-1002B......................................................................... 52
Hình 3.12: Nhập dữ liệu cho E-1003 ........................................................................... 54
Hình 3.13: Nhập dữ liệu E-1004 .................................................................................. 55
Hình 3.14: Nhập dữ liệu E-1005A ............................................................................... 56
Hình 3.15: Nhập dữ liệu cho E-1005B......................................................................... 57
Hình 3.16: Nhập dữ liệu cho E-1006 ........................................................................... 58
Hình 3.17: Nhập dữ liệu cho E-1007 ........................................................................... 59


ix


Hình 3.18: Nhập dữ liệu cho E-1008 ........................................................................... 60
Hình 3.19: Nhập dữ liệu cho E-1009 ........................................................................... 61
Hình 3.20: Nhập dữ liệu cho E-1010 ........................................................................... 62
Hình 3.21: Nhập dữ liệu cho E-1011 ........................................................................... 63
Hình 3.22: Nhập dữ liệu cho E-1013 ........................................................................... 64
Hình 3.23: Nhập dữ liệu cho E-1014 ........................................................................... 65
Hình 3.24: Nhập dữ liệu cho E-1015 ........................................................................... 66
Hình 3.25: Nhập dữ liệu cho E-1018 ........................................................................... 67
Hình 3.26: Nhập dữ liệu cho E-1023 ........................................................................... 68
Hình 3.27: Nhập dữ liệu cho E-1030 ........................................................................... 69
Hình 3.28: Nhập dữ liệu cho E-1031 ........................................................................... 70
Hình 3.29: Nhập dữ liệu cho E-1032 ........................................................................... 71
Hình 3.30: Nhập dữ liệu cho PK3/E1 .......................................................................... 72
Hình 3.31: Nhập dữ liệu cho PK4/E1 .......................................................................... 73
Hình 4.1: Kết quả tóm tắt mơ phỏng của E-1001 ........................................................ 74
Hình 4.2: Mặt chiếu chùm ống của E-1001 ................................................................. 75
Hình 4.3: Chế độ Simulation của E-1001 .................................................................... 78

x


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
HTRI: Heat Exchanger Transfer Inc.
KW: High Pressure Washing Condensate – Nƣớc rửa cao áp
HW: Medium Pressure Washing Condensate – Nƣớc rửa trung áp
LW: Low Pressure Washing Condensate – Nƣớc rửa thấp áp

TBTĐN: Thiết bị trao đổi nhiệt
DCS: Distributed Control System - Hệ thông điều khiển phân tán
KL: khối lƣợng
TT: Thể tích

xi


CHƢƠNG 1

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1.

Tình hình nghiên cứu
Nhu cầu quản lý năng lƣợng riêng đã làm tăng đáng kể tầm quan trọng của

các thiết bị trao đổi nhiệt trong hơn 2 đến 3 thập kỷ qua. Ngày nay, hầu nhƣ khơng
có nhà máy hóa chất, quy trình cơng nghệ thực phẩm hay cơng trình phát điện nào
mà khơng có các thiết bị trao đổi nhiệt. Xu hƣớng này đã kích thích sự phát triển
lớn các phƣơng pháp thiết kế bộ trao đổi nhiệt, do sự hoàn thiện kiến thức về nền
tảng truyền nhiệt cũng nhƣ sự trợ giúp của các máy tính nhanh và lớn hơn. Hiện có
nhiều phần mềm chuyên về thiết kế và đánh giá thiết bị trao đổi nhiệt nhƣ Heat
Transfer and Fluid Flow Service (HTFS), Heat Transfer Research Inc. (HTRI). [1]
Tuy nhiên, các chất tải nhiệt dạng lỏng trong hầu hết các quy trình thực tiễn
đều chứa một lƣợng nhất định các chất lơ lửng hoặc hịa tan, hay cung cấp những
điều kiện lí tƣởng cho sự phát triển của các sinh vật. Nó có thể dẫn đến sự gia tăng
các kết tủa trên bề mặt truyền nhiệt. Thiết kế và hoạt động của bộ trao đổi nhiệt
phần lớn xác định bởi sự hình thành kết tủa trên bề mặt truyền nhiệt – fouling – điều
sẽ yêu cầu những giới hạn an toàn thực trong thiết kế, tiền xử lý các lƣu chất
nóng/lạnh và các thiết bị làm sạch thông thƣờng. Hiện tại trên thế giới có rất nhiều

nghiên cứu về vấn đề cáu cặn và cách xử lý. Năm 2000, Hans Muller và Steinhagen
đã xuất bản sách tổng hợp những nghiên cứu chi tiết về vấn đề trên. [2]
Do có độ dẫn thấp, những chất cặn và kết tủa này sẽ ngăn cản sự truyền nhiệt
của dịng lƣu chất sạch. Vì thế sau một thời gian vận hành, các thiết bị trao đổi nhiệt
của các nhà máy sẽ bị giảm hiệu suất trao đổi nhiệt, ảnh hƣởng đến chỉ tiêu kỹ thuật
của dây chuyền công nghệ, đồng thời tiêu hao tiện ích phụ trợ sẽ tăng lên. Việc
đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt, các chỉ tiêu về năng lƣợng cần đƣợc tiến hành để
có biện pháp xử lý thích hợp, nâng cao trở lại năng suất nhà máy. [2]
1.2.

Tính cấp thiết của đề tài
Theo tình hình thực tế về việc xây dựng các nhà máy Đạm ở Việt Nam, bắt

đầu năm 2012 tổng nguồn cung phân urê sẽ tăng và vƣợt so với nhu cầu tiêu thụ
1


CHƢƠNG 1
phân urê trong cả nƣớc (xem bảng 1.1). Ta có thể dự đốn rằng bắt đầu từ năm 2012
thị trƣờng phân bón Việt Nam sẽ bắt đầu cạnh tranh ngày càng khốc liệt. Thêm vào
đó, giá khí thiên nhiên đầu vào để sản xuất NH3 và phát điện, sản xuất hơi nƣớc,
đƣợc cung cấp bởi PVgas tăng từ ngày 01/01/2012, điều đó dẫn tới tăng chi phí sản
xuất và sẽ ảnh hƣởng đến giá thành sản phẩm Urê.
Bảng 1.1: Tình hình Cung-Cầu của thị trƣờng phân urê Việt Nam [3]
Thời Đạm Đạm

Đạm Đạm

Đạm


Đạm

Tổng

Nhu

điểm Phú

Hà

Cà

Cơng

ngoại

cung

Urê nội địa

Bắc

Mau Bình

Thanh

nhập

Urê


thừa

nội

với

địa

cầu

Mỹ

Ninh

cầu Tổng
lƣợng Urê
so
nhu

2010

740

180

0

0

0


1080-1280

920

2000-2200

-

2011

770

180

0

0

0

1080-1280

950

2000-2200

-

2012


800

180

800

560

0

1050-1250

2340

2000-2200

140-340

2013

800

180

800

560

0


-

2340

2000-2200

140-340

2014

800

500

800

560

0

-

2660

2000-2200

460-660

Sau


800

500

800

560

560

-

3220

2000-2200

1020-1120

2014
Vào năm 2010, hệ thống thu hồi CO2 từ khói thải nồi hơi đi vào hoạt động,
CO2 đƣợc đƣa vào cửa hút của máy nén CO2 xƣởng Urê, tăng tải cho hoạt động của
xƣởng lên khoảng 2450 tấn Urê/ngày. Tuy nhiên, do phân xƣởng chỉ đƣợc thiết kế
tối đa ở công suất 2200 tấn Urê/ngày, vì vậy các thiết bị của xƣởng Urê nói chung
và các thiết bị trao đổi nhiệt nói riêng, đều gặp phải những vấn đề khi chạy cao tải.
Ngoài ra, sau 8 năm vận hành nhà máy Đạm Phú Mỹ (từ năm 2004), các
thiết bị của nhà máy Đạm Phú Mỹ đã bắt đầu cũ, nhất là các thiết bị trao đổi nhiệt

2



CHƢƠNG 1
khơng cịn đạt đƣợc thơng số cơng nghệ nhƣ thiết kế ban đầu, việc tiêu hao tiện ích
phụ trợ càng lớn vì phải cung cấp tối đa để đảm bảo các thơng số vận hành.
Do đó, để Đạm Phú Mỹ vẫn giữ đƣợc vị trí ƣu thế cạnh tranh nhƣ hiện nay
đòi hỏi cần phải nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lƣợng, giảm các tiện ích phụ
trợ nhƣ khí nhiên liệu đốt lị hơi, hơi nƣớc, nƣớc làm mát, giảm định mức tiêu hao
riêng trên đơn vị sản phẩm để có thể hạ chi phí sản xuất, góp phần khơng làm tăng
giá thành sản phẩm, tăng tính cạnh tranh trên thị trƣờng Việt Nam và các thị trƣờng
tiêu thụ phân bón tiềm năng nhƣ Campuchia, Lào, Myanmar,…
1.3.

Ý nghĩa đề tài

1.3.1. Ý nghĩa khoa học kỹ thuật
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình trao đổi
nhiệt giữa các chất mang nhiệt. Trong kỹ thuật thiết bị trao đổi nhiệt đƣợc sử dụng
rất rộng rãi và đóng vai trị quan trọng trong các q trình cơng nghệ ví dụ nhƣ lị
hơi để sản sinh hơi nƣớc, thiết bị ngƣng tụ và bốc hơi trong thiết bị lạnh, thiết bị hồi
nhiệt… Về cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng về chủng loại và phụ thuộc vào
công nghệ trong sản xuất.
Ở nhà máy Đạm Phú Mỹ, có rất nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt nhƣ thiết bị
trao đổi nhiệt dạng vỏ ống, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm, thiết bị sinh hơi,…
Trong đó loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ ống đƣợc sử dụng rất nhiều do đó chúng
ta tập trung phân tích và đánh giá chủ yếu về loại thiết bị này.
Nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu các thiết bị trao đổi nhiệt của
xƣởng Urê, nhà máy Đạm Phú Mỹ. Đồng thời công cụ đƣợc sử dụng là phần mềm
HTRI (Heat Transfer Research Inc.), một phần mềm chuyên dùng để thiết kế, mô
phỏng và đánh giá thiết bị trao đổi nhiệt.
Trƣớc hết, việc nghiên cứu đặc điểm thiết bị trao đổi nhiệt giúp chúng ta có

cái nhìn tổng quát và hệ thống về thiết bị trao đổi nhiệt, các loại thiết bị trao đổi
nhiệt, cách chọn lựa thiết bị trao đổi nhiệt tùy vào tình hình công nghệ. Đồng thời

3


CHƢƠNG 1
tìm hiểu đƣợc cách tính tốn, thiết kế, chọn lựa thơng số vận hành, cách tính tốn
tiêu tốn năng lƣợng, hiệu quả trao đổi nhiệt có đạt hay khơng so với thiết bị trao đổi
nhiệt thực đã đƣợc thiết kế.
Đồng thời, việc tìm hiểu về phần mềm HTRI sẽ giúp chúng ta có thêm một
cơng cụ để đánh giá thiết bị trao đổi nhiệt, thay vì phải tính tay sẽ rất mất thời gian
và khơng chính xác.
Nghiên cứu này là tiền đề để đặt ra nhiều nghiên cứu mới về việc đánh giá
các loại thiết bị khác của nhà máy.
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Với những kết quả thu đƣợc, nghiên cứu này hy vọng sẽ đóng góp vào bộ số
liệu phân tích hiện trạng các thiết bị của nhà máy, giúp cho ngƣời quản lý có đƣợc
những thơng tin để quyết định cách thức cải tiến công nghệ, quyết định đầu tƣ thiết
bị mới hay không, hay thay đổi các thông số vận hành để đạt hiệu quả tốt hơn.
Dựa trên hiện trạng hiệu quả trao đổi nhiệt và cấu tạo của thiết bị đó mà
nghiên cứu sẽ phán đoán nguyên nhân, đƣa ra cách thức xử lý phù hợp, đề ra các
biện pháp loại bỏ cáu cặn (nếu có).
Từ đó, các tiện ích phụ trợ nhƣ hơi nƣớc, nƣớc làm mát sẽ đƣợc sử dụng ít
hơn, tiêu hao năng lƣợng trên một đơn vị sản phẩm Urê sẽ ít hơn, góp phần vào việc
giảm định mức tiêu hao, giảm chi phí sản xuất, tạo giá thành sản phẩm cạnh tranh.
1.4.

Mục tiêu đề tài
Mô phỏng các thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ ống của xƣởng Urê – nhà máy


Đạm Phú Mỹ bằng HTRI.
Đánh giá hiệu quả truyển nhiệt, mức độ đáp ứng của các tiện ích phụ trợ
trong các thiết bị trao đổi nhiệt đó ở điều kiện hoạt động mới hiện tại. So sánh với
khi thiết kế hiện tại xƣởng Urê đang tăng tải sản xuất do đƣợc bổ sung nguồn CO2
thu hồi từ xƣởng Amonia gửi sang.

4


CHƢƠNG 1
Đánh giá nguyên nhân, đề xuất biện pháp cải tiến hoặc thay đổi thơng số
thích hợp với từng ngun nhân cụ thể.

5


CHƢƠNG 2

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1.

Tổng quan về nhà máy Đạm Phú Mỹ [4]

2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển
Nhà máy Đạm Phú mỹ đặt tại khu công nghiệp Phú Mỹ 1, huyện Tân Thành,
tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu là nhà máy phân bón lớn và hiện đại đầu tiên của tập đồn
dầu khí Việt Nam.
Nhà máy có vốn đầu tƣ 370 triệu USD, đƣợc xây dựng trên diện tích 63
hecta, sử dụng công nghệ của hãng Haldor Topsoe (Đan Mạch) để sản xuất

Amoniac và công nghệ của hãng Snamprogetti (Italy) để sản xuất Urê (công suất
740.000 tấn/năm). Đây là cơng nghệ với dây chuyền khép kín đầu vào là khí thiên
nhiên, đầu ra là Urê và Amoniac lỏng. Chu trình cơng nghệ khép kín cùng với việc
tự tạo điện năng và hơi nƣớc giúp nhà máy hoàn toàn chủ động trong sản xuất kể cả
khi lƣới điện quốc gia có sự cố hoặc khơng đủ điện cung cấp.
Nhà máy đƣợc khánh thành và đi vào họat động vào ngày 21/9/2004.
2.1.2. Nguyên liệu sản xuất và sản phẩm nhà máy
2.1.2.1.

Nguyên liệu sản xuất

 Sơ đồ tóm tắt của nhà máy

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát nhà máy
6


CHƢƠNG 2
 Hoạt động của phân xƣởng Amoniac đƣợc mô tả trong lƣợc đồ dƣới đây:

Hình 2.2: Lƣợc đồ mơ tả phân xƣởng Amoniac
 Hoạt động của phân xƣởng Urê đƣợc mơ tả trong lƣợc đồ dƣới đây:

Hình 2.3: Lƣợc đồ mơ tả phân xƣởng Urea
Ngun liệu chính của nhà máy là khí đồng hành Bạch Hổ, ngồi ra có thể
sử dụng khí thiên nhiên từ bồn trũng Nam Cơn Sơn và các bể khác thuộc lục địa
phía Nam. Lƣợng khí tiêu thụ cho nhà máy khoảng 53.000 – 54.000 Nm3/h (khoảng
450 triệu m3/năm). Khí thiên nhiên là hỗn hợp các h ydro cacbon nhẹ, chủ yếu là
Metane (CH4). Khí thiên nhiên có thể khai thác từ mỏ khí hoặc đƣợc tách ra từ khí
đồng hành tại các mỏ dầu.

Nitơ: Nguyên liệu để tổng hợp NH3 và đƣợc lấy từ khơng khí.
Hydro:đƣợc tạo ra nhờ phản ứng Reforming khí thiên nhiên bằng hơi nƣớc,
là nguyên liệu để tổng hợp NH3.
7


CHƢƠNG 2
CO2:là nguyên liệu để tổng hợp Urea, đƣợc điều chế từ cơng đoạn
Reforming khí thiên nhiên.
2.1.2.2.

Sản phẩm

Sản phẩm phụ-Amoniac:
Ammonia tổng hợp đƣợc chủ yếu để sản xuất Urea. Lƣợng cịn dƣ đƣợc đƣa
về bồn chứa.
Cơng suất 1350 tấn Ammonia/ngày (tƣơng đƣơng khoảng 422.598 tấn/năm).
NH3 (% khối lƣợng)

99.8 min.

H2O (% khối lƣợng)

0.2 max.

Oil (ppm khối lƣợng)

5 max.

Ammonia là chất khí có cơng thức phân tử NH3, hóa lỏng ở điều kiện áp suất

thƣờng và nhiệt độ thấp (khoảng –320C) hoặc ở điều kiện nhiệt độ thƣờng và áp
suất cao (khoảng 15 bar), có mùi khai đặc trƣng.
Sản phẩm chính - Urea:
Công suất:

2200 tấn/ngày.

Cỡ hạt: 1.4 – 2.8 mm: >95%.
Hàm lƣợng N2:> 46.3%.
Độ ẩm: < 0.4%.
Hàm lƣợng biuret: < 1%
Urea là hợp chất hóa học có cơng thức phân tử (NH2)2CO, ở nhiệt độ thƣờng
Urea khơng màu, mùi vị, hồ tan trong nƣớc, nhiệt độ nóng chảy khoảng 1350C, tỷ
trọng khoảng 1,3230. Urea thủy phân chậm tạo thành Cacbamát Amôn sau đó phân
hủy thành NH3 và CO2, đây là cơ sở để sử dụng Urea làm phân bón. Trong cơng
nghiệp Urea đƣợc tổng hợp từ NH3 lỏng và CO2 khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất
cao.
8


CHƢƠNG 2
2.1.3. Quy trình cơng nghệ
2.1.3.1.

Phân xƣởng Amoniac

Hoạt động của phân xƣởng Amoniac đƣợc tóm tắt qua sơ đồ hình 2.4:

Hình 2.4: Sơ đồ mơ tả tổng qt phân xƣởng Amoniac
2.1.3.2.


Phân xƣởng Urê

Hoạt động của phân xƣởng Urea đƣợc tóm tắt qua sơ đồ hình 2.5:

Hình 2.5: Lƣợc đồ mơ tả hoạt động của phân xƣởng Urea

9


CHƢƠNG 2
a. Phản ứng tổng hợp
Amoniac lỏng nạp liệu vào xƣởng urê, từ xƣởng amoniac tƣơng ứng, đƣợc
lọc qua các thiết bị lọc amoniac FL-1002A/B, sau đó đi vào tháp thu hồi amoniac T1005 và đƣợc tập trung trong bồn chứa amoniac V-1005. Từ V-1005, amoniac đƣợc
bơm lên áp suất 22 barg bằng bơm tăng cƣờng amoniac P-1005A/B. Một phần
amoniac này đƣợc đƣa tới tháp hấp thụ trung áp T-1001, phần còn lại đi vào cụm
tổng hợp cao áp.
Amoniac vào cụm tổng hợp đƣợc bơm bằng bơm amoniac cao áp P1001A/B, lên áp suất khoảng 220 barg. Trƣớc khi vào tháp tổng hợp, amoniac đƣợc
gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ amoniac E-1007, và đƣợc sử dụng làm lƣu
chất đẩy trong bơm phun cacbamat J-1001, tại đây cacbamat từ bình tách cacbamat
V-1001 đƣợc đẩy lên áp suất tổng hợp.
Hỗn hợp lỏng amoniac và cacbamat đi vào đáy tháp tổng hợp urê, ở đây hỗn
hợp này sẽ phản ứng với dòng CO2 nạp liệu.
CO2 từ xƣởng amoniac ở áp suất 0.18 barg và nhiệt độ 45oC đi vào máy nén
CO2 K-1001 và đƣợc nén đến áp suất 157 barg.
Một lƣợng nhỏ khơng khí đƣợc đƣa vào dịng CO2 ở đầu vào máy nén K1001 để thụ động hóa các bề mặt thép không rỉ của các thiết bị cao áp, do đó bảo vệ
chúng khỏi ăn mịn do các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng.
Các sản phẩm phản ứng ra khỏi tháp tổng hợp chảy vào phần trên của thiết bị
stripper E-1001, hoạt động ở áp suất 147 barg. Đây là thiết bị phân hủy kiểu màng
trong ống thẳng đứng, trong đó lỏng đƣợc phân phối trên bề mặt gia nhiệt dƣới dạng

màng và chảy xuống đáy nhờ trọng lực. Thực tế, đây là thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống
thẳng đứng, với môi trƣờng gia nhiệt ở phía vỏ, và đầu ống đƣợc thiết kế đặc biệt
cho phép sự phân phối đồng đều dung dịch urê. Thực tế, mỗi ống có một đầu phân
phối kiểu lồng (ferrule) đƣợc thiết kế để phân phối đều dòng lỏng xung quanh thành
ống dƣới dạng màng. Các lỗ của đầu phân phối hoạt động nhƣ các đĩa; đƣờng kính

10


CHƢƠNG 2
của các lỗ và đầu phân phối sẽ điều khiển lƣu lƣợng. Khi màng lỏng chảy, nó đƣợc
gia nhiệt và sự phân hủy cacbamat và bay hơi bề mặt xảy ra. Hàm lƣợng CO2 trong
dung dịch giảm do stripping NH3 khi NH3 sôi. Hơi tạo thành (thực chất là amoniac
và CO2) bay lên đỉnh ống. Nhiệt phân hủy cacbamat đƣợc cung cấp nhờ sự ngƣng tụ
hơi bão hòa 21.8 barg.
Dịng hỗn hợp giữa khí từ đỉnh thiết bị stripper, và dung dịch thu hồi từ đáy
tháp hấp thụï trung áp T-1001, đi vào các thiết bị ngƣng tụ cacbamat E-1005A/B, ở
đây chúng đƣợc ngƣng tụ và đƣợc tuần hoàn về tháp tổng hợp R-1001 thông qua
bơm phun cacbamat J-1001.
Ngƣng tụ khí q trình ở áp suất cao (khoảng 144 barg) cho phép tạo ra hơi
bão hòa 4.9 barg ở phía vỏ của thiết bị ngƣng tụ cacbamat thứ nhất E-1005A và hơi
3.4 barg ở phía vỏ của thiết bị ngƣng tụ cacbamat thứ hai E-1005B.
Từ đỉnh của bình tách cacbamat V-1001, khí khơng ngƣng bao gồm khí trơ
(khơng khí thụ động, khí trơ trong dịng CO2 từ giao diện) chứa một lƣợng nhỏ NH3
và CO2 đƣợc đƣa trực tiếp vào đáy thiết bị phân hủy trung áp E-1002.
b. Tinh chế urê và thu hồi NH3, CO2 trung và thấp áp
Làm sạch urê và thu hồi khí xảy ra trong 2 giai đoạn ở áp suất giảm nhƣ sau:
 Giai đoạn 1 ở áp suất 19.5 barg;
 Giai đoạn 2 ở áp suất 4 barg.
Các thiết bị trao đổi nhiệt trong đó xảy ra q trình làm sạch urê đƣợc gọi là

các thiết bị phân hủy bởi vì trong các thiết bị này xảy ra sự phân hủy cacbamat.
 Giai đoạn làm sạch và thu hồi thứ nhất ở áp suất 19.5 barg
Dung dịch, với hàm lƣợng CO2 thấp, từ đáy thiết bị stripper E-1001, đƣợc
giãn nở tới áp suất 19.5 barg và đi vào phần trên thiết bị phân hủy trung áp. Thiết bị
này đƣợc chia thành 3 phần chính:
-

Bình tách đỉnh V-1002, ở đây khí nhẹ đƣợc tách ra trƣớc khi dung dịch đi
vào bó ống;
11