ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HÀ KIM THANH VY
MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẠO HẠT UREA BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301
Trang 2Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tuấn Anh Chữ ký:
1 Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Thành Duy Quang Chữ ký:
2 Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lý Cẩm Hùng Chữ ký:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 20 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Đình Thành
2 Ủy biên phản biện 1: TS Nguyễn Thành Duy Quang 3 Ủy viên phản biện 2: TS Lý Cẩm Hùng
4 Ủy viên: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi 5 Thư ký: TS Đặng Văn Hân
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Hà Kim Thanh Vy MSHV: 2070497
Ngày, tháng, năm sinh: 02/10/1997 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chun ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301
I TÊN ĐỀ TÀI:
- Bằng tiếng Việt: Mơ phỏng q trình tạo hạt Urea bằng phần mềm
Matlab
- Bằng tiếng Anh: Simulation of urea granulation process using Matlab II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về urea và công nghệ sản xuất urea trong công nghiệp
- Xây dựng mơ hình thủy động lực học, quá trình truyền nhiệt, truyền ẩm trong
giai đoạn hạt urea chuyển từ pha lỏng sang rắn hoàn toàn
- Giải bài toán về truyền nhiệt, truyền ẩm bằng phương trình Stefan 2 pha - Mơ phỏng q trình tạo hạt urea trong tháp tạo hạt
- Phân tích, đánh giá kết quả
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Tuấn Anh
TP HCM, ngày … tháng … năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
Trang 4i
LỜI CÁM ƠN
Xin trân trọng cảm ơn Khoa kỹ thuật hóa học, Thầy Cơ Bộ mơn Cơng nghệ Hóa vơ cơ đã cung cấp cho tôi những kiến thức vô cùng quan trọng trong khoảng thời gian vừa qua Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh đã tận hình hướng dẫn tơi thực hiện và hồn thành nghiên cứu này Tôi cũng xin cảm ơn tất cả Anh/Chị nghiên cứu viên, Anh/chị làm việc tại phịng thí nghiệm đã hỗ trợ tơi hồn thành các kết quả trong báo cáo này
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn và kính chúc Q thầy cơ đã đồng hành và theo dõi em trong suốt thời gian qua thật nhiều sức khoẻ và ngày càng thăng tiến trong cơng việc
TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023
Học viên
Trang 5ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến sự hình thành hạt urea trong quá trình sản xuất urea Công nghệ sản suất urea luôn được các nhà nghiên cứu, các hãng tập trung nghiên cứu nhằm tìm ra các giải pháp và cơng nghệ tiên tiến đảm bảo chất lượng sản phẩm ngày càng tăng, tối ưu hóa chi phí sản xuất, nâng cao hiệu suất sản xuất Quá trình sản xuất urea được tổng kết ở giai đoạn cuối cùng là tạo hạt, quá trình này hình thành kết tinh của sản phẩm, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng bảo quản sản phẩm sau này Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các q trình động lực học, quá trình cân bằng độ ẩm, quá trình trao đổi nhiệt của hạt urea trong giai đoạn chuyển từ thể lỏng khi ra khỏi đỉnh tháp đến thể rắn khi đến đáy tháp, kết quả có được bằng cách triển khai giải bài toán Stefan 2 pha Kết quả luận văn này đề ra một mơ hình hồn thiện, chính xác hơn cho q trình đóng rắn hạt urea trong các tháp tạo hạt cơng nghiệp Một mơ hình hồn thiện hơn sẽ cho phép ta thiết kế chính xác tháp tạo hạt đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm Mơ hình tốt cũng giúp cho việc dự đốn tính chất sản phẩm khi có một hoặc vài thông số hoạt động bị thay đổi như lưu lượng, tính chất dịng khơng khí làm mát Từ đó có thể đưa ra cách vận hành phù hợp, hạn chế thành phẩm không đạt chất lượng Các kết quả phân tích và mơ hình đề xuất được kiểm chứng thơng qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab Nội dung cụ thể của luận văn như sau:
Chương 1, Tổng quan
Chương 2, Mơ phỏng q trình tạo hạt urea Chương 3, Kết quả mô phỏng trên matlab Chương 4, Kết luận
Trong giới hạn nội dung luận văn này trình bày, nếu có bất cứ điều gì thắc mắc hoặc các yêu cầu về nội dung thực hiện chưa rõ, xin vui lòng liên hệ:
Hà Kim Thanh Vy, Khoa Kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, TP.HCM
Trang 6iii
ABSTRACT
This thesis presents issues related to urea granulation process in urea production process Urea production technology is always focused on research by researchers and firms in order to find advanced solutions and technologies to ensure increasing product quality, optimize production costs, and improve efficiency production capacity The urea production process is summarized in the final stage of granulation, which forms the crystallization of the product, which directly affects the quality and ability of the product to be preserved later This study focuses on analyzing the dynamical processes, the process of moisture balance, the heat exchange process of urea particles in the process from the liquid state when leaving the top of the tower to the solid state when reaching the bottom of the tower The results are obtained by solving the 2-phase stefan problem The results of this thesis propose a more complete and accurate model for the curing process of urea granules in the industrial granulation tower A more complete model will allow us to precisely design the granulation tower to meet product quality requirements A good model also helps to predict product properties when one or several operational parameters are changed such as flow rate, cooling air flow properties From there, it is possible to devise a suitable way of operation, to limit the quality of finished products The analysis results and proposed model are verified through simulation results on Matlab The specific content of the thesis is as follows:
Chapter 1, Overview
Chapter 2, Simulation of urea granulation process Chapter 3, Simulation results on Matlab software Chapter 4, Conclude
Within the limits of the content of this thesis, if you have any questions or requirements about the implementation content, please contact:
Ha Kim Thanh Vy, Department of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology
Trang 7iv
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo
Ngoài ra, trong Luận văn thạc sỹ còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung Luận văn thạc sỹ của mình Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh khơng liên quan đến những vi
phạm tác quyền, bản quyền do tơi gây ra trong q trình thực hiện (nếu có)
TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023 Tác giả luận văn
Chữ ký
Trang 8v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan về urea 1 1.1.1 Lịch sử phát triển 1 1.1.2 Các tính chất của urea 2 1.1.3 Ứng dụng của urea 5
1.2 Tình hình thị trường phân bón urea 7
1.2.1 Phân urea trên thị trường thế giới 7
1.2.2 Phân urea trên thị trường Việt Nam 7
1.3 Tổng quan về quy trình sản xuất urea 8
1.3.1 Quy trình sản xuất phân urea 10
1.3.2 Quy trình tạo hạt urea 14
1.3.3 Công nghệ tạo hạt bằng tháp 18
1.4 Vai trị của mơ phỏng trong các quy trình sản xuất 23
1.5 Một số vấn đề cơ bản về phần mềm Matlab 25
1.6 Mục tiêu của luận văn 26
1.7 Nội dung và phạm vi nghiên cứu 26
1.8 Phương pháp nghiên cứu 27
1.9 Đóng góp mới về khoa học của luận văn 27
1.10 Ý nghĩa thực tiễn 27
1.11 Bố cục của luận văn 27
CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HẠT UREA 28
2.1 Thiết lập vấn đề 28
2.1.1 Tính cấp thiết 29
2.1.2 Đề xuất các vấn đề trong quá trình tạo hạt urea 32
2.2 Cơ sở lý thuyết 32
2.2.1 Phương pháp Runge-Kutta 32
Trang 9vi
2.2.3 Phương pháp Enthapy giải bài toán Stefan 33
2.3 Mơ tả phương trình tốn học 34
2.3.1 Thủy động lực học 34
2.3.2 Quá trình truyền ẩm 36
2.3.3 Quá trình truyền nhiệt 37
2.4 Thực hiện mô phỏng 38
2.4.1 Thủy động lực học 38
2.4.2 Cân bằng độ ẩm 39
2.4.3 Cân bằng nhiệt 40
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 44
3.1 Kết quả mô phỏng thủy động lực học 44
3.2 Kết quả mô phỏng cân bằng độ ẩm 45
3.3 Kết quả mô phỏng cân bằng nhiệt 48
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 57
4.1 Các kết quả đạt được 57
4.2 Định hướng các nội dung nghiên cứu tiếp theo 58
Danh mục các cơng trình khoa học 59
Tài liệu tham khảo 60
Trang 10vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh tinh thể urea 1
Hình 1.2 Cơng thức phân tử của urea 2
Hình 1.3 Các trường hợp phân hủy của urea 4
Hình 1.4 Cơng nghệ khơng thu hồi 9
Hình 1.5 Cơng nghệ thu hồi một phần 9
Hình 1.6 Sơ đồ quy trình sản xuất urea 11
Hình 1.7 Thu hồi CO2 ở áp suất cao 11
Hình 1.8 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 trung áp 12
Hình 1.9 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 thấp áp 12
Hình 1.10 Cơ đặc dịch urea 13
Hình 1.11 Tháp tạo hạt 14
Hình 1.12 Sự hình thành hạt theo phương pháp tạo ẩm 14
Hình 1.13 Sự hình thành hạt theo phương pháp nén ép 15
Hình 1.14 Sự hình thành hạt theo phương pháp phủ lấp 15
Hình 1.15 Màu sắc hạt urea; a) Hạt urea trong; b) Hạt urea đục 18
Hình 1.16 Cấu tạo tháp tạo hạt 19
Hình 1.17 Dây chuyền tạo hạt và sản phẩm 21
Hình 2.1 Sự rơi của hạt 34
Hình 2.2 Bố trí các lưới đồng nhất dùng cho bài tốn đơng đặc hình cầu 41
Hình 3.1 Vận tốc rơi của các hạt urea (đường kính 0.4 đến 1.2mm) theo chiều cao tháp (Điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ, nhiệt độ khơng khí là 30oC) 44
Hình 3.2 Vận tốc rơi của các hạt urea (đường kính 0.4 đến 3.2mm) theo chiều cao tháp (Điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ, nhiệt độ khơng khí là 30oC) 45
Hình 3.3 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm khơng khí là W= 0,01 (kg nước/ kg khơng khí khơ), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ khơng khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.8mm) 46
Hình 3.4 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ không khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.8mm) 46
Trang 11viii
Trang 12ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang 13x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt Ý nghĩa
MOL Phương pháp đường ODE hệ thống vi phân thường
PDE Hệ phương trình đạo hàm riêng CD Hệ số trở lực
CFD Phân tích thủy động học điện tốn UAN Nitơ amoni nitrat
Trang 141
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về urea
1.1.1 Lịch sử phát triển
Urea lần đầu tiên được phát hiện và phân lập từ nước tiểu người bởi H.M Rouelle vào năm 1773 Sau đó được Friedrich Wohler tổng hợp thành cơng vào năm 1828 Q trình tổng hợp urea gần như là một sự tình cờ Vì Wohler đã cố gắng tạo ra một hợp chất khác, amoni cyanate, để tiếp tục nghiên cứu về cyanat mà ông đã nghiên cứu trong vài năm trước đó Khi thêm bạc cyanat vào dung dịch amoni clorua, ông đã thu được một chất kết tinh màu trắng, được chứng minh là giống với urea thu được từ nước tiểu Khám phá này rất quan trọng, vì điều này khiến urea trở thành hợp chất hữu cơ đầu tiên được tổng hợp từ ngun liệu ban đầu hồn tồn vơ cơ
Urea hiện được điều chế thương mại với số lượng lớn từ amoniac lỏng và carbon dioxide lỏng Hai vật liệu này được kết hợp dưới áp suất và nhiệt độ cao để tạo thành amoni carbamate, sau đó phân hủy ở áp suất thấp hơn nhiều để tạo ra urea và nước
Năm 1870, urea đã được sản xuất bằng cách đốt nóng amoni carbamate trong một ống bịt kín Điều này là nền tảng cho công nghệ sản xuất urea cơng nghiệp sau này
Hình 1.1 Hình ảnh tinh thể urea
Trang 152
đứng đầu về cung cấp và chuyển giao công nghệ sản xuất urea trên thế giới như: Stamicarbon (Hà Lan), Snamprogetti (Italia), TEC (Nhật Bản)… Các hãng này đưa ra công nghệ sản xuất urea tiên tiến, mức tiêu phí năng lượng cho một tấn sản phẩm urea rất thấp
1.1.2 Các tính chất của urea
- Tính chất vật lý
Urea là một phân tử hữu cơ nhỏ (M = 60) bao gồm hai nhóm amin (-NH2) và một nhóm cacbamyl (C-O) được liên kết với nhau, với công thức phân tử là CON2H4
hoặc (NH2)2CO, như mô tả trong Hình 1.2
Hình 1.2 Cơng thức phân tử của urea
Urea còn được biết đến như là carbamide, đặc biệt là trong tên gọi sử dụng ở châu Âu theo các tên gọi không đăng ký quốc tế được khuyến cáo (rINN) Ngồi ra urea cịn được biết với tên gọi là Cacbamid, Cacbonyldiamide, Carbonyldiamine, Diaminomethanal, Diaminomethanone Urea ở dạng tinh thể trắng, là chất hút ẩm và không ăn mịn như Hình 1.1 trình bày Ở trạng thái tinh khiết nhất, urea không mùi mặc dù hầu hết các mẫu urea có độ tinh khiết cao đều có mùi khai [1]
Urea tan tốt trong nước bởi vì phân tử urea dễ dàng tạo ra 6 liên kết hidro với nước (2 liên kết hydro tạo với nguyên tử oxy, 4 liên kết hydro với 4 nguyên tử hydro)
- Tính chất hút ẩm, kết tảng của urea
Bảng 1.1 giới thiệu các đặc tính cơ bản của urea Urea là chất dễ hút ẩm từ môi trường xung quanh tại một nhiệt độ nhất định ứng với áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường lớn hơn áp suất hơi nước trên bề mặt urea Urea sẽ hút ẩm khi độ ẩm môi trường xung quanh lớn hơn 70%, nhiệt độ từ 10oC đến 40oC
Trang 163
tảng Do vậy, để hạn chế việc hút ẩm, urea thường được đóng trong các bao Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) hoặc trong bao giấy nhiều lớp, hoặc phủ lên 1 lớp paraffin mỏng, hoặc dùng bột trợ dung [2]
Bảng 1.1 Các đặc tính urea
Thành phần Giá trị
Tỉ trọng d, g/cm3 1.32
Dạng tinh thể và dạng bề ngoài Dạng kim, lăng trụ, tứ giác
Điểm nóng chảy, oC 132,7
Chỉ số khúc xạ 1,484; 1,602
Năng lượng hình thành tự do ở 25oC, J/mol -197,15
Nhiệt nóng chảy, J/g 251
Nhiệt hòa tan trong nước, J/g 243
Nhiệt kết tinh, dịch urea nước 70%, J/g 460
Độ ẩm tương đối 81% (tại 20oC)
73% (tại 30oC) Nhiệt riêng, J/Kg.K ở 0oC 1439 50oC 1,661 100oC 1,887 150oC 2,10 Hàm lượng Nitơ 46,6% N - Tính chất hóa học Tác dụng với các axit:
Khi urea tác dụng với axit tạo thành các hợp chất muối axit Hợp chất muối nitrat CO(NH2).HNO3 ít tan trong nước Khi đốt nóng bị phân hủy và nổ Hợp chất muối phốt phát CO(NH2).H3PO4 tan tốt trong nước và phân lý hoàn toàn
Tác dụng với muối khác theo phương trình (1.1):
Trang 174
sử dụng urea làm phân bón vi sinh vật trong lịng đất, chuyển hóa amonia thành muối nitrat, đây là hợp chất chứa nitơ và cây trồng có thể hấp thụ được Phương trình thủy phân của urea được biểu diễn bằng (1.2), (1.3), (1.4)
CO(NH2)2 + H2O → NH2COONH4 (1.2)
NH2COONH4 + H2O → (NH4)2CO3 (1.3)
(NH4)2CO3 → NH4HCO3 + NH3 (1.4)
Biamoni cacbonat lại bị phân hủy bằng nhiệt theo phản ứng (1.5)
NH4HCO3 → CO2 + H2O + NH3 (1.5)
Mức độ thủy phân của amoni cacbonat giảm đáng kể khi có mặt NH3 Ngồi ra, trong điều kiện khơng khí ẩm sẽ xảy ra phản ứng (1.6)
2NO + (NH2)2CO + ½O2 → 2N2 +H2O + CO2 (1.6)
Urea tinh khiết nóng chảy ở 132,4oC Khi bị gia nhiệt ở áp suất thường và quá điểm nóng chảy của nó, urea sẽ phân hủy tạo ra chủ yếu ammonia và isocyanic acid như (1.7)
CO(NH2)2 ↔ NH4NCO ↔ NH3 + HNCO (1.7)
Hình 1.3 Các trường hợp phân hủy của urea
Trang 185
1.1.3 Ứng dụng của urea
- Trong nông nghiệp:
Ứng dụng phổ biến và rông rãi nhất của urea là được dùng làm phân bón, kích thích sinh trưởng, giúp cây phát triển mạnh, thích hợp với ruộng nước, cây, rau xanh Phân đạm cùng với phân lân, phân kali góp phần tăng năng suất cho cây trồng
Trong tự nhiên, phân đạm tồn tại trong nước tiểu của các loài động vật và con người Trong công nghiệp, phân đạm được sản xuất bằng khí thiên nhiên hoặc than đá Trộn lẫn với các chất phụ gia khác, urea sẽ được dùng trong nhiều loại phân bón rắn có các dạng cơng thức khác nhau như photphat urea amôn; sunphat amôn urea và urea phophat (urea + acid photyphoric), các dung dịch urea nồng độ thuộc nitrat amơn urea (80-85%) có hàm lượng nitơ cao nhưng điểm kết tinh lại thấp phù hợp cho việc vận chuyển lưu thông phân phối bằng hệ thống ống dẫn hay phun bón trực tiếp Trong chăn nuôi, urea là chất bổ sung vào thức ăn cho động vật, nó cung cấp một nguồn đạm cố định tương đối rẻ tiền để giúp cho sự tăng trưởng Urea được dùng để sản xuất lisin, một acid amino được dùng thông dụng trong ngành chăn nuôi gia cầm
Trong số các sản phẩm hoá học được sử dụng phổ biến làm nguồn cung cấp phân đạm cho cây trồng như: Sulphur Ammonium (SA), Nitrat Ammonium (NH4NO3), urea… thì urea được sử dụng nhiều hơn cả vì những đặc tính vượt trội của nó về mọi phương diện Bằng chứng là sản lượng tiêu thụ urea (trên toàn thế giới), urea chiếm 57% trên tổng sản lượng phân bón cung cấp Nitơ cho cây trồng Sử dụng urea rất đa dạng, nó có thể được dùng 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 Khi sử dụng, urea không gây hiện tượng cháy nổ nguy hiểm cho người sử dụng và môi trường xung quanh Với hàm lượng đạm cao, 46%, sử dụng urea giảm bớt được chi phí vận chuyển, công lao động và kho bãi tồn trữ so với các sản phẩm cung cấp đạm khác Việc sản xuất urea thải ra ít chất độc hại cho mơi trường Khi được sử dụng đúng cách, urea làm gia tăng năng suất nông sản tương đương với các loại sản phẩm cung cấp đạm khác
Trang 196
Nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa Urea-formaldehyde Nhựa này được dùng phổ biến làm keo dán gỗ Urea (cùng với Ammonia) phân hủy ở nhiệt độ để sản xuất các loại nhựa melamine Nhựa melamine formaldehyde dùng để sản xuất bát, đĩa, chén hoặc dùng phủ các bề mặt được cường lực
Urea được dùng để tạo ra Urea nitrat, là một chất nổ được dùng trong công nghiệp Các loại nhựa urea được polyme hóa từng phần để dùng cho ngành cơng nghiệp dệt có tác dụng làm phân bố đều các thành phần ép của các chất sợi Urea cũng là chất thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay sương muối của lòng đường hay đường băng sân bay Nó khơng gây ra hiện tượng ăn mịn kim loại như muối Ngoài ra, urea được sử dụng như một thành phần bổ sung trong thuốc lá, nó được thêm vào để tăng hương vị hay đôi khi được sử dụng như là chất tạo màu nâu vàng trong các xí nghiệp sản xuất bánh quy Nó cịn được dùng trong một số ngành sản xuất thuốc trừ sâu thậm chí cũng là một thành phần của một số dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước thơm Bên cạnh đó, urea cũng là thành phần hoạt hóa để xử lý khói thải từ động cơ diesel, giảm sự bốc mùi của khí Oxitnitric
- Trong phịng thí nghiệm:
Urea là một chất biến tính protein mạnh Thuộc tính này có thể khai thác 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
- Trong y học:
Thuốc: Urea được sử dụng trong các sản phẩm da liễu cục bộ để giúp cho quá trình tái hydrat hóa của da
Chuẩn đốn sinh lý học:
Trang 207
trong một số rối loạn máu ác tính Nồng độ cao của urea (uremia) có thể sinh ra các rối loạn thần kinh Thời gian dài bị uremia có thể làm đổi màu da sang màu xám
Trong các chẩn đoán khác:
Các loại urea chứa carbon-14 đồng vị phóng xạ, hay carbon-13 đồng vị ổn định được sử dụng trong xét nghiệm thở urea, được sử dụng để phát hiện sự tồn tại của Helicobacter pylori (một loại vi khuẩn) trong dạ dày và tá tràng người Xét nghiệm này phát hiện enzym urease đặc trưng, được H pylori sản xuất ra theo phản ứng để tạo ra amonia từ urea để làm giảm độ pH của môi trường trong dạ dày xung quanh vi khuẩn Các loài vi khuẩn tương tự như H pylori cũng có thể được xác định bằng cùng một phương pháp xét nghiệm đối với động vật (khỉ, chó, mèo -bao gồm cả các loại "mèo lớn" như hổ, báo, sư tử…)
1.2 Tình hình thị trường phân bón urea
1.2.1 Phân urea trên thị trường thế giới
Dân số nhân loại tăng, nông nghiệp phát triển, đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng phân bón, cụ thể trong số đó là phân urea ngày càng tăng theo thời gian, và được dự đoán sẽ cịn tiếp tục tăng ít nhất cho đến năm 2030 Tuy nhiên, những năm gần đây, số liệu thống kê cho thấy tốc độ tăng nhu cầu dành cho phân bón nói chung là thấp hơn so với trước Điều này xuất phát từ nhiều nguyên nhân: có thể do nguồn cung quá nhiều so với cầu dẫn đến thừa thải sản phẩm, hoặc do việc sử dụng phân bón, đặc biệt là urea, trở nên hiệu quả hơn nhờ các cơng nghệ tiên tiến, Vì vậy, dự đốn trong 5 năm tới nhu cầu mua phân bón sẽ chỉ tăng chậm và đạt khoảng 199 triệu tấn/năm 2023
1.2.2 Phân urea trên thị trường Việt Nam
Việt Nam là nước nông nghiệp nên nhu cầu tiêu thụ phân bón, đặc biệt là phân urea là khá lớn Tiêu thụ nội địa khoảng 2.4 triệu tấn/năm Tốc độ tăng trưởng ổn định 1.5 – 2% mỗi năm Lúa, ngô và cao su là ba loại cây trồng có nhu cầu phân bón lớn nhất khi chiếm tỉ lệ lần lượt là 65%, 9% và 8% nhu cầu tiêu thụ phân bón Việt Nam
Trang 218
những nguồn cung cấp phân đạm nội địa chính Nguồn nguyên liệu để sản xuất phân đạm ở nước ta là than đá và khí thiên nhiên Nhà máy đạm Bắc Hà và nhà máy đạm Ninh Bình sử dụng than, nhà máy Đạm Phú Mỹ và Cà Mau dùng khí thiên nhiên làm nguyên liệu
Hiện tại, năng lực trong nước là 2,340 triệu tấn/năm, bao gồm Đạm Phú Mỹ 800.000 tấn, Đạm Cà Mau 800.000 tấn, Đạm Hà Bắc 180.000 tấn, Đạm Ninh Bình 560.000 tấn Dự kiến cuối năm 2023, Đạm Hà Bắc nâng công suất từ 180.000 tấn lên 500.000 tấn/năm, cả nước sẽ có 2,660 triệu tấn/năm Như vậy, sản xuất trong nước không những phục vụ đủ cho nhu cầu sản xuất nông nghiệp mà cịn có lượng dư thừa để xuất khẩu
Theo số liệu thống kê thì nhập khẩu 8 tháng đầu năm 2021 ở nước ta vào khoảng gần 3 triệu tấn phân bón các loại Trong đó, urea nhập khẩu 420.000 tấn, mặc dù lượng sản xuất trong nước không thiếu nhưng do giá chênh lệch quá lớn giữa urea sản xuất trong nước và urea nhập khẩu dẫn tới một lượng khá lớn (420.000 tấn) urea ngoại được nhập vào Việt Nam Giá thành urea trong nước thời gian qua cao hơn giá urea nhập khẩu khoảng 1,2 – 2 triệu đồng/tấn (60 -100 USD/tấn) Đây cũng là một nghịch lý cần phải xem xét để thị trường phân bón được lành mạnh và người nơng dân thực sự có chi phí hợp lý cho giá thành sản phẩm của họ trong sản xuất nông nghiệp
1.3 Tổng quan về quy trình sản xuất urea
Trên thế giới, các phương pháp sản xuất urea phân chia dựa vào khả năng thu hồi vật liệu thô, đã phát triển thành ba cơng nghệ chính như sau:
Trang 229
dụng để sản xuất các muối amôn bằng cách hấp thụ NH3 trong acid sunfuaric và acid photphoric
Dung dịch urea
80% urea Kết thúcÁp suất thấp
Áp suất cao
Tháp phân hủy Cacbamat
Hơi nướcĐóng khí (Áp suất thấp)Đóng khí (Áp suất cao)Nước thảiChuyển đổi NH3 35%Chuyển đổi CO2 75%Lò phản ứng urea 200 atm, 185°CNH3 lỏng dư 100%Khí CO2Hơi nước
Hình 1.4 Cơng nghệ khơng thu hồi [4]
Khí CO2NH3 lỏng dư 100-110%Chuyển đổi NH3 35%Chuyển đổi CO2 7%Bộ tách cao ápLò phản ứng urea Tái chế dung dịch CarbamateKết thúcTháp phân hủy Cacbamat thấp ápTổng hợp khí đốt đồng nhất sản phẩmTháp phân hủy Cacbamat cao ápBộ hấp thụ áp suất caoAmmonia80%ureaLị sấyLị sấy
Hình 1.5 Cơng nghệ thu hồi một phần [4]
Trang 2310
liệu cho sản xuất các loại phân bón khác Phần cịn lại tuần hoàn lại hệ thống để tham gia phản ứng tiếp
Thứ ba, quy trình thu hồi hồn tồn Việc phân hủy cacbamat được thực hiện bằng việc kết hợp gia nhiệt, giảm áp và quá trình stripping (quá trình này làm giảm áp suất riêng của một hoặc nhiều thành phần) Tổng chuyển hóa NH3 khoảng 99% Kết quả khơng có sản phẩm phụ chứa Nitơ tạo thành và việc sản xuất urea chỉ phụ thuộc vào việc cung cấp CO2 và NH3 Dịch urea thu được sau công đoạn phân hủy thường đạt nồng độ 65-77% Dịch này có thể được sử dụng để sản xuất các loại phân bón chứa Nitơ hoặc chúng được cơ đặc để sản xuất urea Khí NH3 và CO2 thu hồi từ dịng cơng nghệ của tháp tổng hợp trong các công đoạn phân hủy ở các áp suất khác nhau (cao áp, trung áp và thấp áp) được hấp thụ trong nước và được tái tuần hoàn trở lại cho tháp tổng hợp dung dịch cacbamat amơn lỏng có chứa Amoniac Khoảng một nửa sản lượng urea của thế giới sản xuất theo cơng nghệ này
1.3.1 Quy trình sản xuất phân urea
Quy trình sản suất urea được mơ tả trong Hình 1.6 Urea được tạo ra từ amoniac cacbon dioxit theo hai phản ứng cân bằng (1.8), (1.9)
2NH3 + CO2 ⇄ NH2COONH4 (1.8) NH2COONH4 ⇄ NH2CONH2 + H2O (1.9) Quy trình sản xuất urea được thiết kế để tối đa hóa các phản ứng này trong khi ức chế sự hình thành biuret (1.10)
2NH2CONH2 ⇄ NH2CONHCONH2 + NH3 (1.10) Phản ứng này là không mong muốn, khơng chỉ vì nó làm giảm sản lượng urea, mà vì biuret làm cháy lá cây Điều này có nghĩa là urea có chứa hàm lượng biuret cao khơng thích hợp để sử dụng làm phân bón
Các cơng đoạn chính:
- Cơng đoạn nén CO2
Trang 2411
Máy nén ly tâm bao gồm bốn cấp trung gian và được chia làm hai vùng nén thấp áp và cao áp Sau mỗi cấp đều được trang bị một thiết bị làm mát và một thiết bị tách với mục đích làm nguội và tách lỏng trong dịng khí Nhiệt đơ tại cửa hút của cấp nén thứ tư được khống chế để tránh hiện tượng hóa rắn của CO2
Phân giải và thu hồi trung ápPhân giải và thu hồi thấp ápCô đặc chân không (Urea 96%)Phân giải và thu hồi cao ápTổng hợp cao ápXử lý nước ngưngNén CO2NH3Urea đến xưởng tạo hạtH2ONH3Dung dịch ureaDung dịch ureaCarbonateCarbonate
Hình 1.6 Sơ đồ quy trình sản xuất urea [4]
Hình 1.7 Thu hồi CO2 ở áp suất cao [4]
Dịng khí CO2 sau khi đi qua thiết bị tách lỏng, vào đến cửa hút của máy nén có áp suất khoảng 0,12 bar, được nén đến khoảng 4.6 bar trong cấp nén đầu tiên, đến khoảng 18,9 bar trong cấp nén thứ hai, đến 69.9 bar trong cấp nén thứ ba và sau cấp nén cuối cùng áp suất lên 157 bar Tổng hợp urea và thu hồi CO2 ở áp suất cao như Hình 1.7 mơ tả
Trang 2512
lị hơi nước Lò phản ứng đầu tiên thực hiện chuyển đổi 78% carbon dioxide thành urea và chất lỏng sau đó được tinh chế Lị phản ứng thứ hai nhận khí từ lò phản ứng thứ nhất và dung dịch tái chế từ thiết bị phân giải và cô đặc Sự chuyển hóa carbon dioxide thành urea là khoảng 60% ở áp suất 50 bar Sau đó, dung dịch được tinh chế trong cùng một quy trình như được sử dụng cho chất lỏng từ lò phản ứng đầu tiên
- Công đoạn tinh chế urea và thu hồi NH3 ở áp suất trung bình và áp suất thấp
- Hình 1.8 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 trung áp [4] Các tạp chất chính trong hỗn hợp ở giai đoạn này là nước từ phản ứng sản xuất urea và các chất phản ứng chưa phản ứng (amoniac, carbon dioxide và amoni carbamate) Các chất phản ứng chưa phản ứng được loại bỏ trong ba giai đoạn Thứ nhất, áp suất giảm từ 240 bar xuống 17 bar và dung dịch được làm nóng, làm cho
amoni cacbamat phân hủy thành amoniac và cacbon đioxit (1.11)
Trang 2613
NH2COONH4 ⇄ 2NH3 + CO2 (1.11) Đồng thời, một lượng amoniac và carbon dioxide ban đầu bay ra Sau đó, áp suất được giảm xuống cịn 2.0 bar và cuối cùng là -0.35 bar, với lượng amoniac và carbon dioxide bị mất nhiều hơn ở mỗi giai đoạn Đến khi hỗn hợp ở -0,35 bar thì dung dịch urea được hịa tan trong nước và khơng cịn các tạp chất khác Ở mỗi giai đoạn, các chất phản ứng chưa tích lũy được hấp thụ vào dung dịch nước được tái chế đến lò phản ứng thứ cấp Amoniac dư thừa được tinh chế và sử dụng làm nguyên liệu cho lị phản ứng chính Hơi nước tách raDung dịch urea 99.8%Nước ngưngHơi nước 3.4 barDung dịch urea 85%Hình 1.10 Cô đặc dịch urea [4]
Công đoạn cô đặc, tạo hạt như Hình 1.10 trình bày 75% dung dịch urea được làm nóng trong chân khơng, làm bay hơi một phần nước, làm tăng nồng độ urea từ 68% khối lượng đến 80% khối lượng Ở giai đoạn này một số tinh thể urea cũng hình thành Sau đó, dung dịch này được đun nóng từ 80C đến 110C để phân hủy lại các tinh thể này trước khi bay hơi Trong giai đoạn bay hơi, urea nóng chảy (99% khối lượng) được tạo ra ở 140C 25% còn lại của dung dịch urea 68% khối lượng được xử lý trong điều kiện chân không ở 135C trong bố trí thiết bị tách-bay hơi hai dãy
Trang 2714
trình phức tạp và có nhiều phương pháp tạo hạt khác nhau Hình 1.11 giới thiệu một tháp tạo hạt cơ bản
Hình 1.11 Tháp tạo hạt
1.3.2 Quy trình tạo hạt urea
1.3.2.1 Các kỹ thuật tạo hạt cổ điển
Cấu trúc hạt có lỗ rỗng hình thành do cấu tạo chùm tinh thể từ những tinh thể nhỏ hơn Cấu trúc này được tạo thành chủ yếu khi lăn hỗn hợp được tạo ẩm như Hình 1.12 Cấu trúc giọt, được hình thành từ những giọt muối khan nóng chảy trong quá trình kết tinh ở chế độ khơng có trọng lực
Để tạo ra dạng này thường dùng thiết bị vo viên kiểu trống quay (thùng quay) Cấu trúc hạt xích chặt hình thành khi nén ép bột và cả khi lăn trong thùng quay có tỉ lệ hồi lưu cao như Hình 1.13 trình bày Loại này thường được tạo ra từ máy tạo hạt kiểu khn ép [5]
Hình 1.12 Sự hình thành hạt theo phương pháp tạo ẩm Urea
99.8%
Trang 2815
Hình 1.13 Sự hình thành hạt theo phương pháp nén ép
Hình 1.14 Sự hình thành hạt theo phương pháp phủ lấp
Cấu trúc tạo thành lớp, thu được trong thiết bị vo viên tròn khi phun bùn vào lớp vật liệu hạt nhỏ hoặc trong thiết bị vo viên lớp sôi như Hình 1.14 trình bày
Kết tinh là sự hình thành pha rắn mới từ dung dịch bão hòa hoặc từ lỏng ở nhiệt độ nhất định Nó là một q trình thuận nghịch, sản phẩm kết tinh có thể hòa tan rồi kết tinh lại khi phục hồi điều kiện ban đầu Quá trình kết tinh chậm hơn nhiều so với q trình hịa tan tinh thể Q trình kết tinh bao gồm các bước cơ bản sau đây:
Khi dung dịch bão hòa, mầm sẽ xuất hiện, độ bão hịa tăng thì số lượng và tốc độ kết tinh mầm cũng tăng lên Có thể tạo mầm nhân tạo để kích thích q trình kết tinh bằng cách đưa thêm vào dung dịch lượng mầm đủ lớn Muốn thu được tinh thể dạng khối to nên cho ít mầm, tinh thể dạng bé nên cho nhiều mầm
Trang 2916
tán, giảm độ bền hạt đã lớn Quá trình kết tinh thường tỏa nhiệt, ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình kết tinh là không giống nhau Sự hấp thụ trên bề mặt tinh thể các tạp chất có thể tạo ra các tinh thể khơng như nhau, có thể bị méo mó
Khi tốc độ tạo mầm lớn hơn tốc độ phát triển mầm thì ta thu được đa số tinh tể nhỏ Nếu tốc độ phát triển tinh thể lớn hơn tốc độ tạo mầm thì ta thu được đa số tinh thể lớn nên khi thay đổi điều kiện ảnh hưởng đến hai yếu tố trên tinh thể có hình dạng và kích thước khác nhau
Cường độ khuấy trộn có ảnh hưởng đến sự phát triển của tinh thể Khi tăng cường độ khuấy trộn (trong giới hạn) thì tốc độ kết tinh tăng lên, nhưng kích thước tinh thể giảm xuống Kích thước tinh thể đóng vai trị quan trọng trong quá trình thu hồi và xử lý sản phẩm Một chất có thể kết tinh ở các dạng khác nhau: dạng khan, dạng hidrat
Có nhiều phương pháp kết tinh nhưng thường dùng nhất các phương pháp sau: Phương pháp làm lạnh: người ta thường kết tinh bằng cách hạ nhiệt độ dung dịch bão hịa hoặc dịch thì có sự kết tinh xảy ra; Phương pháp bốc hơi: phương pháp này chỉ dùng tách muối ít biến đổi độ tan bởi nhiệt độ ra khỏi dung dịch Nước được bốc hơi ở nhiệt độ không đổi Người ta sẽ cung cấp một lượng nhiệt để duy trì một nhiệt độ bốc hơi đó; Diêm tích (đối với muối tan): Đưa vào dung dịch các chất hạ thấp độ tan của nó Đó là các muối chứa cùng ion với các muối cần kết tinh hoặc là chất liên kết nước, người ta gọi đó là q trình diêm tích hóa Ví dụ khi kết tinh NaCl cho thêm MgCl2
Kết khối là một vấn đề quan trọng trong sản xuất phân khống, hóa chất vật liệu thường gặp trong cơng nghệ sản xuất xi măng, phân bón và các loại muối khác Sự kết khối của vật liệu và sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần vật liệu, độ ẩm, môi trường, nhiệt độ và bản chất vật liệu, chủ yếu do một số nguyên nhân sau:
• Do hạt khơng đều, chứa nhiều bụi tinh thể, khi bảo quản các bụi tinh thể đóng vai trị như vật liệu liên kết, nó kết lại, thay đổi cấu trúc tạo thành sự kết khối • Khả năng hút ẩm của chất rắn tăng thì tăng sự kết khối Hút ẩm là nguyên nhân
Trang 3017
xúc giữa các hạt có sự kết dính
• Sự kết khối phụ thuộc nhiệt độ của mơi trường: ví dụ như kết khối của amoninitrat, amon sunphat tạo thành muối kép Sự hút ẩm của phân lân, phân đạm sẽ làm thay đổi thành phần cấu trúc pha và sẽ xảy ra kết khối làm giảm chất lượng sản phẩm
• Sự kết khối phụ thuộc vào kích thước hạt, hạt càng bé càng dễ biến đổi hóa học khi đốt nóng, cỡ hạt khơng đồng đều sẽ dẫn đến kết khối cục bộ
• Sự kết khối phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể Khi mạng tinh thể rỗng hoặc nhiều mao quản thì hạt dễ hút ẩm và kết khối
Tuy nhiên đối với các nhà kỹ thuật trong công nghệ lưu giữ và bảo quản vật liệu, phân bón thì tn theo một số phương pháp chống kết khối cơ bản sau:
• Tinh thể kết tinh đủ lớn, kích thước đồng đều
• Có lớp màng bao phủ bảo vệ chống hút ẩm, hoặc trộn bột chống kết khối • Sấy khô làm mát trước khi đưa vào kho lưu trữ
• Bảo quản chổ kín, nơi mà nhiệt độ và độ ẩm của khơng khí thay đổi ít • Bảo quản trong bao bì kín khơng khí khơng lọt vào
• Nếu q trình kết khối do nhiệt độ cao trong quá trình chế tạo phải đảo trộn nguyên liệu theo đúng quy trình
1.3.2.2 Kỹ thuật sử dụng tháp tạo hạt
Trong kỹ thuật tạo rãnh, urea nóng chảy đậm đặc được đưa vào một đầu phun dạng vịi hoa sen/tang quay có đục lỗ nằm ở đỉnh của tháp tạo rãnh Tang được quay ở tốc độ cao và phun urea tan chảy ở dạng giọt Các giọt chất lỏng được hóa rắn và làm mát khi rơi tự do qua tháp chống lại luồng khơng khí xung quanh cưỡng bức hoặc tự nhiên Sản phẩm được đưa ra khỏi đế tháp đến băng chuyền Làm mát đến nhiệt độ môi trường xung quanh và sàng lọc có thể được sử dụng trước khi sản phẩm được chuyển đến nơi bảo quản [6]
Trang 3118
tốc tương đối của các hạt, khơng khí và các giọt chất lỏng cao nên quá trình làm ướt hiệu quả và quá trình sấy bắt đầu gần như ngay lập tức Trong quá trình tạo hạt, urea tan chảy được phun lên các hạt tái chế tuần hoàn (hoặc các hạt giống) trong khi khơng khí đi qua máy tạo hạt và làm đông đặc urea tan chảy trên vật liệu hạt giống Trong một số trường hợp, urea tan chảy được ổn định trước khi phun Điều này có thể tăng cường các đặc tính lưu trữ và xử lý của urea dạng hạt [7], [8]
Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều tài liệu về mơ hình hóa và mơ phỏng q trình tạo hạt urea được đưa vào sản xuất cơng nghiệp [6]–[8] Đặc tính của các hạt rắn có tầm quan trọng đáng kể để nghiên cứu các tính chất của vật liệu và hơn nữa là hiệu suất của chúng trong mọi khía cạnh sử dụng Các nghiên cứu này nhằm tìm ra các đặc tính kỹ thuật tốt hơn cho các hạt urea trong các q trình sản xuất khác nhau Do đó, nó nhằm mục đích đánh giá mối quan hệ giữa các quy trình hồn thiện urea khác nhau và độ bền vật lý tương ứng của sản phẩm Điều này làm cho việc đánh giá độ bền cơ học của cả phân bón urea hạt và phân bón thu được từ các nhà máy có cơng nghệ khác nhau Theo cách sản xuất của chúng, người ta cho rằng các hạt có độ bền cơ học lớn hơn các hạt, do đó có một gradient cường độ phù hợp với bán kính của hạt [9] Ngồi ra, các đặc tính nhiệt của các mẫu urea tương ứng được so sánh để đánh giá sự khác biệt về hoạt động nhiệt của chúng
1.3.3 Công nghệ tạo hạt bằng tháp
- Công nghệ tạo hạt trong
a) b)
Hình 1.15 Màu sắc hạt urea; a) Hạt urea trong; b) Hạt urea đục
Trang 3219
được tạo thành có nhiệt độ khoảng 180oC được đưa vào tang quay đặt trên đỉnh của tháp tạo hạt Tang quay được quay với tốc độ cao và phun dòng urea lỏng, tạo thành hạt rơi xuống Hạt lỏng rơi xuống được làm nguội bằng dịng khơng khí tự nhiên đi ngược chiều Sản phẩm rơi xuống băng tải, làm nguội tới khi có thể được đem đi đóng bao bì [10]
- Công nghệ tạo hạt urea đục
Urea nóng chảyKhơng khí raKhơng khí raKhơng khí vàoKhơng khí vàoGuồng quay
Hình 1.16 Cấu tạo tháp tạo hạt
Trang 3320
vậy trước khi đem đi tạo hạt Q trình này có thể làm tăng kích thước hạt, và là đặc trưng cho công nghệ urea hạt đục
So sánh công nghệ urea hạt trong và đục:
Urea rắn là dạng phân bón chứa hàm lượng Nitơ cao nhất, và bao gồm hai loại là urea hạt trong và urea hạt đục Mặc dù về tính chất và hàm lượng về hóa học thì cả urea hạt đục và urea hạt trong đều tương đương nhau Tuy nhiên sự khác biệt về tính chất vật lý và cơ tính của từng loại, tạo nên sự khác biệt trong ứng dụng về phân bón và nguyên liệu trong cơng nghệ hóa học So sánh về kích thước hạt thì urea hạt đục có dải kích thước nằm trong phạm vi từ 2.4 đến 3.5mm, trái lại thì urea hạt trong chỉ có kích thước hạt khoảng 1.6mm Khi so sánh về cơ tính của 2 loại phân urea thì kết quả cho thấy cơ tính của urea hạt trong sẽ bị phá hủy tại khoảng 3.8N, và urea hạt đục bị phá hủy tại 10 đến 17N Điều đó cho thấy cơng nghệ urea hạt trong sẽ cho ra sản phẩm có cơ tính đồng đều hơn so với cơng nghệ urea hạt đục
Qua các phân tích trên cho thấy, cơng nghệ tạo hạt urea có vai trị vơ cùng quan trọng trong q trình sản xuất urea Để cơng nghệ có thể đưa vào vận hành và sản xuất chính xác, qui trình tạo hạt urea cần được kiểm chứng thơng qua một mơ hình mơ phỏng Q trình mơ phỏng nhằm đưa ra được qui trình sản xuất tiêu chuẩn và thơng số vận hành thích hợp
Một số cơng nghệ tạo hạt:
- Cơng nghệ tạo hạt của UIT
Bơm urea nóng chảy nồng độ 99,7% tới cho các đầu phun đặt trên đỉnh tháp tạo hạt Sự hình thành hàm lượng buiret trong urea nóng chảy được hạn chế tới mức thấp nhất do lưu tốc không gian trong ống cao và trong nhiệt độ vi lượng hơi được khống chế chặt chẽ Các đầu phun urea được bố trí tại tâm xung quanh cửa xả khơng khí chính Kiểu bố trí này cho phép tạo được các hạt sản phẩm rơi theo dạng dịng ngang, q trình này có tính đến việc tăng thêm dịng khơng khí lạnh Kết quả hiệu suất làm lạnh của tháp tạo hạt được nâng cao và được duy trì
Trang 3421
trượt khơng khí dưới đáy bao gồm một tấm đục lỗ để cho khơng khí mơi trường thốt qua theo tốc độ cưỡng bức, để ngăn không cho các dòng hạt cứng ảnh hưởng đến tấm đục lỗ Tấm trượt khơng khí hình cơn được bao quanh bởi một buồng kín khí, tại đây khơng khí mơi trường được cấp bởi các quạt khơng khí dưới đáy Một hệ thống gồm các cửa khóa khơng khí kép cho phép ta tiếp cận được buồng khơng khí, hệ thống này được tăng áp cao hơn so với áp suất của môi trường Tấm trượt các hạt cứng dọc theo bề mặt hình cơn của tấm trượt khơng khí được thu gom tập trung lại để đưa vào băng tải tạo hạt Khơng khí tại đầu vào của các quạt trượt hình cơn cần phải được khử ẩm, mức khử ẩm này tùy thuộc vào điều kiện khí hậu của địa phương Trong quá trình tạo hạt, amonia tự do có trong urea nóng chảy có thể được thải ra khí quyển do bị lơi cuốn theo dịng khí làm lạnh thổi qua tháp tạo hạt Để giảm sự thoát khí, dung dịch acid sunfuric 98% từ bồn chứa được phun vào dịng urea nóng chảy bằng bơm định lượng ở đầu bơm ly tâm Bằng cách này acid sunfuric phản ứng với amoniac tạo thành amonisunfat, muối này sẽ trộn lẫn và đóng rắn cùng sản phẩm urea Urea được tập trung ở giữa đáy tháp tạo hạt, chúng rơi vào băng tải của tháp tạo hạt Sàng phía dưới băng tải sẽ loại bỏ urea vón cục, urea này được xả trực tiếp và được hòa tan trong bồn chứa urea kín thơng qua băng tải tuần hồn
- Công nghệ của G – TEC
Sản phẩmDung dịch urea thu hồiNguồn cấp ureaKhơng khíKhơng khíSàn lọcMáy nghiềnMáy tạo hạtATMLàm mát sản phẩm
Hình 1.17 Dây chuyền tạo hạt và sản phẩm [11]
Trang 3522
sản phẩm với phạm vi rộng về kích thước hạt và sản xuất ra sản phẩm chất lượng cao Thiết bị tạo hạt đệm phun dạng tầng phun đơn: Nguyên lý lớp đệm phun được tạo thành trong 1 tháp đáy cơn có 1 cửa mở ở phần đáy của phần cơn để đưa khơng khí vào Dung dịch urea được phun vào lớp đệm phun dưới dạng những hạt nhỏ Những hạt nhỏ của dung dịch urea bám trên bề mặt những hạt trịn và đóng rắn hồn tồn trước khi rơi xuống bề mặt giường đệm Quá trình này được lặp lại cho đến khi các hạt phát triển to lớn đến kích cỡ yêu cầu
Dung dịch urea hoặc urea nóng chảy được cho vào thiết bị thơng qua các vịi phun để tăng kích thước các hạt trong máy tạo hạt Nước trong dung dịch urea đầu vào được làm bay hơi bằng cách phun không khí thành các giọt nhỏ trong bể hạt để tạo hạt urea Các hạt phóng to được làm mát đến một nhiệt độ phù hợp bằng cách hóa lỏng khơng khí trên các giọt chất lỏng trong trong máy tạo hạt Các hạt urea được sản xuất trong máy tạo hạt được sàng lọc để tách các hạt đạt kích thước sản phẩm ở phía trên và các hạt chưa đủ kích thước qua bộ phận tách Hạt nhỏ được tái chế trở lại và hạt quá to được nghiền nát thông qua các máy nghiền loại con lăn đôi và tái chế trở lại như các hạt nhỏ Khí thải từ máy tạo hạt và máy làm mát được chùi sạch trong bộ lọc bụi ướt để thu hồi bụi urea trong khơng khí thải Các bụi urea thu hồi qua máy lọc bụi cũng được quay lại để tái chế
Urea hạt đục được sản xuất theo công nghệ của TEC qua các công đoạn sau: dung dịch urea nóng chảy có nồng độ khoảng 96% khối lượng từ công đoạn cô đặc thuộc xưởng urea được đưa đến thiết bị tạo hạt Dung dịch urea trước khi đưa đi tạo hạt được phối trộn với phụ gia MMU (Mono Methyl Urea) tại xưởng urea
Trang 3623
và làm khô hạt urea một cách hiệu quả trong thiết bị tạo hạt Tầng sôi được vận hành ở áp suất dưới áp suất khí quyển Hạt urea sau đó được làm nguội đến 90oC nhờ thiết bị làm nguội trong thiết bị tạo hạt và được đưa đến sàng rung, đến kho rời hoặc hệ thống đóng bao
Urea sản xuất từ cơng nghệ tạo hạt tầng sơi đã được kiểm chứng là có nhiều ưu điểm như kích thước hạt trịn và đồng đều (kích thước hạt từ 2-4 mm chiếm hơn 90%), độ cứng cao, tan chậm, hàm lượng biuret thấp, hiệu suất làm khơ cao và có thể linh động trong việc điều chỉnh kích thước hạt Do đó, sản phẩm dễ phối trộn với các loại phân bón khác để sản xuất phân bón tổng hợp hoặc bón trực tiếp, dễ bảo quản, ít gây bụi, thân thiện với mơi trường
Ngồi ra cơng nghệ tạo hạt tầng sơi TEC chỉ yêu cầu dịch urea ở nồng độ 96% giúp giảm thiểu công suất của công đoạn bay hơi, cô đặc nhờ đó tiết kiệm chi phí năng lượng
1.4 Vai trị của mơ phỏng trong các quy trình sản xuất
Mơ phỏng là phương pháp mơ hình hố dựa trên việc thiết lập mơ hình số, vì vậy cịn được gọi là Digital Simulation Đây là một công cụ rất mạnh để giải các biểu thức tốn học mơ tả các q trình cơng nghệ hố học Để mơ phỏng một q trình trong thực tế địi hỏi trước hết phải thiết lập mơ hình ngun lý của q trình và mối liên hệ giữa các thông số liên quan Tiếp đó là sử dụng các cơng cụ tốn học để mơ tả mơ hình ngun lý, lựa chọn các thuật toán cần thiết Cuối cùng là tiến hành xử lý các biểu thức với các điều kiện ràng buộc [7]
Trang 3724
cứu tối ưu hố và điều khiển q trình, bao gồm cả nghiên cứu tính tốn mở rộng quy mơ sản xuất [12] Trong nghiên cứu thiết kế, tính tốn kích thước, các thơng số của thiết bị và tồn bộ dây chuyền công nghệ, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố động học, nghiên cứu tương tác ảnh hưởng lẫn nhau của các cơng đoạn trong cơng nghệ khi có sự tuần hoàn nguyên liệu hoặc trao đổi nhiệt tận dụng tối ưu nhiệt của q trình Mơ phỏng tính tốn điều khiển quá trình, khởi động, dừng nhà máy, xử lý các sự cố và các tính huống xảy ra trong quá trình vận hành nhà máy Một quá trình cơng nghệ hố học trong thực tế là một tập hợp rất nhiều yếu tố hết sức phức tạp có ảnh hưởng lẫn nhau (các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng, thành phần hỗn hợp phản ứng, xúc tác, các quá trình phản ứng song song và nối tiếp, hiệu ứng nhiệt của phản ứng, cân bằng pha trong hệ thống,…) Độ phức tạp của quá trình tăng lên, đồng nghĩa với số lượng các thông số liên quan, các biến số, các phương trình, các biểu thức tốn học, các điều kiện ràng buộc tăng lên Giải quyết đồng thời các vấn đề trên địi hỏi một khối lượng tính tốn cực kỳ lớn, việc tính tốn bằng tay địi hỏi rất nhiều thời gian và hầu như là không thể thực hiện được một cách chính xác và tin cậy [13]
Trang 3825
nghệ hoá học như: bơm, máy nén, tuốc bin giãn nở khí, thiết bị trao đổi nhiệt, tháp tách hai pha và ba pha, chưng cất, hấp thụ, trộn dịng, chia dịng… Phần này có chứa các mơ hình tốn, thuật tốn phục vụ cho q trình tính tốn các thơng số của thiết bị và các thơng số cơng nghệ của q trình cơng nghệ được mô phỏng Các công cụ logic phục vụ cho việc tính tốn tuần hồn ngun liệu, thiết lập các thông số công nghệ, điều chỉnh các thông số theo u cầu cơng nghệ, tính tốn cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, tính tốn cân bằng pha,… Các cơng cụ mơ phỏng các q trình điều khiển (điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng dòng, điều khiển mức chất lỏng ) trong quá trình vận hành quy trình cơng nghệ hố học Chương trình điều hành chung tồn bộ hoạt động của các công cụ mô phỏng và ngân hàng dữ liệu Chương trình xử lý thơng tin: lưu trữ, xuất, nhập, in… dữ liệu và kết quả tính tốn được từ q trình mơ phỏng Hỗ trợ việc kết nối giữa các chương trình mơ phỏng khác nhau, kết nối với các mô-đun xây dựng các thiết bị đặc biệt do người sử dụng tạo ra bằng các ngơn ngữ lập trình như Visual Basic, Visual C++, … [15], [16]
Các phần mềm mơ phỏng đều có cơ sở nhiệt động rất vũng chắc và đầy đủ, khả năng thiết kế linh hoạt, cùng với mức độ chính xác và tính thiết thực của các hệ nhiệt động cho phép thực hiện các mơ hình tính tốn rất gần với thực tế công nghệ Các công cụ mô phỏng công nghệ rất mạnh phục vụ cho nghiên cứu tính tốn thiết kế cơng nghệ của các kỹ sư trên cơ sở hiểu biết về các quá trình cơng nghệ hóa học Điều này đáp ứng các u cầu cơng nghệ nền tảng cơ bản cho mơ hình hố và mơ phỏng các q trình cơng nghệ từ khai thác tới chế biến trong các nhà máy xử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến các q trình cơng nghệ lọc hố dầu, cơng nghệ hoá học
1.5 Một số vấn đề cơ bản về phần mềm Matlab
Trang 3926
trình phần mềm lớn dành cho tính tốn kỹ thuật Ta có thể dùng MATLAB để: Tính tốn; Phát triển thuật tốn; Thu thập dữ liệu; Mơ hình và mơ phỏng; Phân tích dữ liệu; Vẽ đồ thị; Giao diện đồ họa
MATLAB gồm 5 phần chính:
Development Environment: là một bộ các công cụ giúp ta sử dụng các hàm và tập tin của MATLAB Nó bao gồm:MATLAB desktop, Command Window, a command history, an editor, debugger, browsers for viewing help, the workspace, files, the search path
- MATLAB Mathematical Function Library: tập hợp các hàm toán học như
sum, sine, số học,…
- MATLAB Language (script): ngơn ngữ lập trình bậc cao
- Graphics: các công cụ giúp hiễn thị dữ liệu dưới dạng đồ thị Ngồi ra nó cịn
cho phép xây dựng giao diện đồ họa
- MATLAB Application Program Interface (API): bộ thư viện cho phép ta sử
dụng các chức năng tính tốn của MATLAB trong chương trình C hay FORTRAN
1.6 Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu mơ tả q trình chuyển pha Stefan hai pha trong q trình tạo hạt urea Lựa chọn thơng số, viết chương trình mơ phỏng trên phần mềm Matlab, đánh giá và phân tích kết quả
1.7 Nội dung và phạm vi nghiên cứu
Trang 4027
1.8 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính tốn lý thuyết, kết hợp mô phỏng và thực nghiệm
Xử lý thống kê với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel Mơ phỏng bằng phần mềm chun dụng Matlab
1.9 Đóng góp mới về khoa học của luận văn
Trong nghiên cứu này, q trình đóng rắn của hạt urea trong tháp tạo hạt sẽ được xem xét một cách đầy đủ hơn Sự đóng rắn của hạt sẽ được xem xét như một quá trình liên tục từ lúc giọt lỏng được làm lạnh, đóng rắn và làm nguội Đây chính là bài tốn Stefan 2 pha, trong đó sự truyền nhiệt diễn ra trong cả 2 pha lỏng và rắn Q trình đóng rắn xảy ra ngay tại lớp biên Thuật toán giải bài toán này cũng sẽ được kiểm chứng với số liệu thực tế ở trạng thái tĩnh (hạt đứng yên)
1.10 Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để xác định kích thước tháp tạo hạt urea, thơng số vận hành tối ưu
1.11 Bố cục của luận văn
Luận văn được thực hiện trong 54 trang Nội dung của luận văn được thể hiện qua chương 4 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Mô phỏng quá trình tạo hạt urea Chương 3: Kết quả mơ phỏng trên Matlab Chương 4: Kết luận