Nghiên cứu, tính toán và mô hình hóa thiết bị phản ứng trong dây chuyền sản xuất dap

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - CH Nguyễn Quang Thành u H U TE ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ MƠ HÌNH HÓA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP Tà il iệ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Quang Thành TE CH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP il iệ u H U CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT HÓA HỌC Tà LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VŨ HỒNG THÁI Hà Nội – 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Quang Thành Đề tài luận văn: Nghiên cứu, tính tốn mơ hình hóa thiết bị phản ứng dây chuyền sản xuất DAP Chuyên ngành: Máy thiết bị hóa chất – dầu khí Mã số SV: CB140075 - Chỉnh sửa lại lỗi tả TE CH Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 14/10/2017 với nội dung sau: H U - Chỉnh sửa lại cách ghi tài liệu tham khảo il iệ u - Chỉnh sửa lại công thức số (1.24) cho Tà Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần ngày 11/11/2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nên Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Trừ phần tham khảo nêu rõ Luận văn - Tà il iệ u H U TE CH Tác giả Nguyễn Quang Thành LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực Luận văn này, em nhận nhiều giúp đỡ hỗ trợ thầy cơ, bạn bè gia đình Luận văn thực hồn thành Bộ mơn Máy Thiết bị Cơng nghiệp Hóa chất, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Vũ Hồng Thái người định hướng, trực tiếp hướng dẫn, bảo, khuyến khích, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận văn Thầy khơng người thầy, mà cịn nhà khoa học, đồng nghiệp mà tác giả suốt đời biết ơn ngưỡng mộ Hà Nội, Tháng năm 2017 Học viên Tà il iệ u H U TE CH Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô môn Máy Thiết bị Công nghiệp Hóa chất, tồn thể bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ suốt thời gian làm luận văn Nguyễn Quang Thành Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái MỤC LỤC MỞ ĐẦU DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN DAP 1.1 Định nghĩa phân bón 1.2 Sơ lược phân bón DAP .9 Định nghĩa .9 1.2.2 Cơng dụng 10 1.2.3 Nguyên liệu sản xuất 10 1.2.4 Cơ sở hóa học 11 TE 1.3 CH 1.2.1 Công nghệ sản xuất DAP giới 12 Các q trình cơng nghệ sản xuất DAP .12 1.3.2 Các cơng đoạn sản xuất DAP 12 H U 1.3.1 u CHƯƠNG 14 liệ TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 14 Phân loại phản ứng hóa học 14 2.2 Khái niệm thiết bị phản ứng 15 Tà i 2.1 2.2.1 Thiết bị phản ứng 15 2.2.2 Vận tốc phản ứng 15 2.2.3 Độ chuyển hóa chất i 15 2.2.4 Độ chọn lọc sản phẩm i 16 2.2.5 Điều kiện phản ứng .16 2.2.6 Phân loại TBPƯ 17 2.2.7 Ứng dụng mơ hình thiết bị phản ứng nhà máy sản xuất phân bón 21 2.3 Mơ tả khái quát thiết bị phản ứng tiền trung hòa phản ứng ống 21 2.3.1 Giới thiệu chung dây chuyền sản xuất DAP 21 2.3.2 Mô tả khái quát thiết bị phản ứng tiền trung hòa thiết bị phản ứng ống 24 CHƯƠNG .28 HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TIỀN TRUNG HÒA VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ỐNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP .28 3.1 Cân nhiệt cho thiết bị phản ứng 28 3.2 Xác định kích thước thiết bị phản ứng 31 3.3 Tính bền cho thiết bị phản ứng .38 3.4 Tính tốn chi tiết, phụ kiện thiết bị phản ứng 41 CHƯƠNG KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC TÍNH TỐN CHO MỘT TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP CÔNG SUẤT 330.000 TẤN/ NĂM .49 Tà i liệ u H U TE CH PHỤ LỤC MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 74 HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái MỞ ĐẦU Việt Nam có diện tích tự nhiên 331.128 km2, nằm khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa Các điều kiện tự nhiên thuận lợi với nguồn nhân lực dồi sở ngành nông nghiệp Việt Nam phát triển Ngành phân bón có vai trị quan trọng cho nông nghiệp, thực tế Việt Nam có nhiều nhà máy phân bón NPK, Phân lân nung chảy, supe, đạm, DAP, phân bón DAP có giá trị quan trọng có giá trị dinh dường cao mà việt nam chưa khai thác hết tiềm TE CH Thiết bị phản ứng nhà máy DAP có giá trị quan trọng dây chuyền thiết bị DAP, định đến suất chất lượng sản phẩm Các thiết bị phản ứng thực tế nhà máy không chế tạo mà lựa chọn hãng cung cấp Việc nghiên cứu tính tốn thiết bị để đảm bảo cho việc lựa chọn nhà cung cấp phù hợp điều chỉnh trình vận hành để nhà máy hoạt động tốt u H U Sau thời gian nghiên cứu nỗ lực hướng dẫn tận tình nghiêm khắc thầy T.S Vũ Hồng Thái tồn thầy giáo mơn Máy Thiết Bị Cơng Nghiệp Hóa Chất Dầu Khí-Viện Kỹ Thuật Hóa Học Và đặc biệt động viên, giúp đỡ liệ thầy Vũ Hồng Thái tiếp thêm cho em động lực để hoàn thành tốt luận văn Tà i Luận văn cịn nhiều thiếu sót, em mong nhận góp ý, phê bình thầy cô hội đồng bạn bè lớp để em rút kinh nghiệm quý báu phục vụ cho trình làm việc sau Một lần em xin chân thành cản ơn thầy cô bạn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Hà Nội, Ngày tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Quang Thành HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Đơn vị Tên gọi Ri Vận tốc phản ứng chuyển hoá chất i Xi Độ chuyển hóa chất i Ci0 Nồng độ chất phản ứng i vào mol/l Ci1 Nồng độ chất phản ứng i mol/l Si Độ chọn lọc với sản phẩm i Ci Nồng độ sản phẩm i hỗn hợp phản ứng tTB Thời gian lưu trung bình VR Thể tích TBPƯ FV Lưu lượng dòng 10 QA Nhiệt lượng truyền cho chất A kJ/h 11 Qc Nhiệt lượng cần cấp cho lưu thể vào kJ/h 12 tA Nhiệt độ mơi chất A vào 13 tpu u STT Kí hiệu Nhiệt độ phản ứng K 14 CA Nhiệt dung riêng môi chất A kJ/Kg.độ 15 Qe Nhiệt lượng tổn thất môi trường kJ/h 16 Qt Nhiệt lượng tỏa kJ/h 17 mi Khối lượng NH3 tiêu tốn cho phản ứng i kg/h 18 Δhi Hiệu ứng nhiệt phản ứng i 19 Qgn Nhiệt lượng cần cấp thêm kJ/h 20 QLP Nhiệt lượng thấp áp kJ/h 21 CLP Nhiệt dung riêng thấp áp kJ/Kg.độ 22 tLP Nhiệt độ hơi thấp áp vào K 23 Mv Tổng khối lượng môi chất vào kg/h 24 Mr Tổng khối lượng môi chất kg/h 25 Ml Tổng khối lượng lưu thiết bị kg/h mol/l liệ H U TE CH h Tà i HVTH: Nguyễn Quang Thành mol/l.s m3 m3/h K kJ/kgNH3 Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái STT Kí hiệu Đơn vị Tên gọi MA Khối lượng môi chất A vào kg/h 27 MNH3k Khối lượng NH3 vào dạng khí kg/h 28 MNH3l Khối lượng NH3 vào dạng lỏng kg/h 29 Mdsr Khối lượng dịch sau rửa trừ H3PO4 H2SO4 kg/h 30 Mnc Khối lượng nước công nghệ vào kg/h 31 MTGS Nước từ tháp rửa đến kg/h 32 Mpb Khối lượng dịch phá bọt kg/h 33 MLP Khối lượng thấp áp kg/h 34 Mbra Tổng khối lượng bùn kg/h 35 Mkra Tổng khối lượng khí 36 ρ Khối lượng riêng trung bình lưu thể vào 37 V′ Lưu lượng thể tích lưu thể m3/h 38 τi Thời gian phản ứng (i) diễn h 39 ki Hằng số tốc độ phản ứng phản ứng (i) 40 ui Độ chuyển hóa phản ứng (i) 41 τ Thời gian lưu h 42 τct Thời gian chuyển tiếp h 43 τn Thời gian nạp h 44 τod Thời gian ổn định h 45 τth Thời gian tháo h 46 VR Thể tích thiết bị m3 47 z Năng suất dự trữ 48 ϕ Hệ số chứa 49 MMP Khối lượng trung áp vào 50 Vđpu Thể tích đầu thiết bị phản ứng m3 51 D Đường kính đoạn thiết bị m 52 L Chiều dài đoạn thiết bị m 53 S Chiều dày thiết bị m Tà i liệ u H U TE CH 26 HVTH: Nguyễn Quang Thành kg/h kg/m3 1/h mol/l kg/h Trang GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 85 GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 86 GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 87 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH 5- Phản ứng khuấy lý tưởng HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 88 GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 89 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH 6- Thiết bị khuấy lý tưởng HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 90 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH 7- Phản ứng đẩy lý tưởng (phản ứng ống) HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 91 GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 92 GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 93 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH –Thiết bị đẩy lý tưởng HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 94 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái –Chạy chương trình aspen Units BUNRA KHIRA FLASH FLASH H2O H2O1 H2SO4 Material H3PO4 H3PO4L H2SO4L HOILP CONVEN CONVEN TTH TRON TRON TTH TRON TTH TTH CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN Mixed 135 1,01325 0,969273 0,0307269 0,952731 0,0472694 -211818 -2611,93 157,585 1,94318 0,0131168 1,06373 -4,53E+07 81,0964 770,3833447 197,696 2,58565 Vapor 135 1,01325 0 0 -47697,4 -2676,1 -9,60612 -0,538959 3,00E-05 0,000534887 -5,03E+07 17,8235 3073,477109 3052,3 21,13 Liquid 38 0 -68035,5 -3776,54 -38,229 -2,12203 0,0551327 0,99323 -6,04E+07 18,0153 3196 3196 0 HOITA MIXOUT NH3K TRON CONVEN TRON TBDAY CONVEN TBDAY TTH TTH TRON CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN Vapor 184 10,96 0 0 -56576,2 -3140,46 -12,0221 -0,66733 0,000302356 0,00544703 -1,74E+06 18,0153 111 111 0 Mixed 50,7305 0,150454 0,849546 0,0554454 0,944555 -127436 -2756,74 57,0733 1,23463 0,000969604 0,0448218 -6,24E+07 46,2269 1763 388 744 Liquid 12 0 -16239,3 -953,542 -45,736 -2,68553 0,0370024 0,630172 -2,15E+06 17,0306 476 476 NH3L NH3L1 SANPHAMRA $/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr HVTH: Nguyễn Quang Thành Vapor 151 4,87959 0 0 -56791 -3152,38 -10,9587 -0,608302 0,000141884 0,00255608 -851866 18,0153 54 54 0 CH Liquid 50 0 -302411 -3085,98 236,987 2,41835 0,0133626 1,30947 -4,13E+07 97,9952 492 0 TE Liquid 50 0 -302411 -3085,98 236,987 2,41835 0,0133626 1,30947 -5,06E+07 97,9952 602 0 H U Liquid 0 -189879 -1935,97 -79,2647 -0,808168 0,0189494 1,85855 -4,11E+06 98,0795 78 0 u Liquid 92 0 -188062 -1917,44 -79,5672 -0,811252 0,0178454 1,75026 -1,51E+06 98,0795 29 0 iệ cal/mol cal/gm cal/mol-K cal/gm-K mol/cc gm/cc cal/sec Liquid 50 0 -67820 -3764,58 -37,5503 -2,08436 0,0548563 0,988252 -5,22E+06 18,0153 277 277 0 il C bar Tà Stream Name Description From To Stream Class Maximum Relative Error Cost Flow MIXED Substream Phase Temperature Pressure Molar Vapor Fraction Molar Liquid Fraction Molar Solid Fraction Mass Vapor Fraction Mass Liquid Fraction Mass Solid Fraction Molar Enthalpy Mass Enthalpy Molar Entropy Mass Entropy Molar Density Mass Density Enthalpy Flow Average MW Mole Flows H2O NH3 CO2 Trang 95 Liquid 12 0 -16260,4 -954,778 -45,8096 -2,68985 0,0370862 0,631598 -2,01E+06 17,0306 446 446 Liquid 12 0 -16260,4 -954,778 -45,8096 -2,68985 0,0370862 0,631598 -3,36E+06 17,0306 744 744 Mixed 180 5,06625 0,905599 0,0944012 0,905599 0,0944012 -145536 -2674,37 8,46388 0,155532 0,0178015 0,968735 -6,05E+07 54,4189 1081,1071 388 26,76 0 0 0 0 0,0494453 3,61E-76 0 5,69E-77 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 29 0 0 0 0 0 0 78 0 0 0 0 0 0 602 0 0 0,256620293 0,003356316 0 0 0 0 0,011050486 0,027498496 0,310036373 0,301304467 0,090133569 0,993109723 0,006874189 0 0 0 0 1,61E-05 1,17E-79 0 1,85E-80 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 HVTH: Nguyễn Quang Thành U H u iệ 0 0 0 0 492 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 29 602 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40,11 176,60 420,63 29,0035 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,220079 0,422008 0 0 0 0 0,0164492 0,341463 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,3588914 0,0247505 0 0 0 0 0,0371054 0,163353 0,3890721 0,0268276 TE 0 0 0 8,51311 21,18 238,85 232,12 69,4374 il kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr Tà H3O+ OHNH4+ SO4-H2PO4HPO4-2 PO4-3 H2SO4 H3PO4 TRIAMPHO DIAMMPHO AMMONPHO AMMONSUL Mole Fractions H2O NH3 CO2 H3O+ OHNH4+ SO4-H2PO4HPO4-2 PO4-3 H2SO4 H3PO4 TRIAMPHO DIAMMPHO AMMONPHO AMMONSUL GVHD : TS Vũ Hồng Thái CH Luận văn tốt nghiệp Trang 96 55352,76578 54988,1 359,816213 0 0 0 0 4,84957 3,53E-74 0 7,51E-75 57576,8 57576,8 0 0 0 0 0 0 0 4990,23 4990,23 0 0 0 0 0 0 0 2844,3 0 0 0 0 0 2844,3 0 0 7650,2 0 0 0 0 0 7650,2 0 0 58993,1 0 0 0 0 0 58993,1 0 0 0,048172526 0,000595606 0 0 0 0 0,011293448 0,028078968 0,42661745 0,361136628 0,124105373 0,993411968 0,00650042 0 0 0 0 8,76E-05 6,38E-79 0 1,36E-79 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 HVTH: Nguyễn Quang Thành 972,825 972,825 0 0 0 0 0 0 0 1999,7 1999,7 0 0 0 0 0 0 0 81498,1 6989,93 12670,7 0 0 0 0 2844,3 58993,1 0 0 8106,55 8106,55 0 0 0 0 0 0 0 7595,63 7595,63 0 0 0 0 0 0 0 12670,7 12670,7 0 0 0 0 0 0 0 86914,179 6989,93 455,70234 0 0 0 0 3931,072 23321,402 48383,528 3832,5442 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,085768 0,155473 0 0 0 0 0,0349003 0,723859 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,0804234 0,0052431 0 0 0 0 0,0452294 0,2683268 0,5566816 0,0440957 U H u iệ 48213,6 0 0 0 0 0 48213,6 0 0 TE 73933,2212 3561,55 44,0351 0 0 0 0 834,961 2075,968548 31541,20232 26699,99423 9175,51 il kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr Tà Mass Flows H2O NH3 CO2 H3O+ OHNH4+ SO4-H2PO4HPO4-2 PO4-3 H2SO4 H3PO4 TRIAMPHO DIAMMPHO AMMONPHO AMMONSUL Mass Fractions H2O NH3 CO2 H3O+ OHNH4+ SO4-H2PO4HPO4-2 PO4-3 H2SO4 H3PO4 TRIAMPHO DIAMMPHO AMMONPHO AMMONSUL GVHD : TS Vũ Hồng Thái CH Luận văn tốt nghiệp Trang 97 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái Tà il iệ u H U TE CH 10- Đánh giá mơ aspen cho tính tốn thiết bị phản ứng DAP Biểu đồ so sánh khối lượng sản phẩm thực tế mô HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 98 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái Chương trình aspen chương trình mơ tồn diện với sở liệu lớn, chương trình hữu ích cho việc mô đánh giá thiết bị hóa học nói chung thiết bị phản ứng nói riêng Trong đề tài đã đưa mô hình với thiết bị phản ứng, sản phẩm mơ đánh giá tương đối xác thực tế nhà máy Có sai khác khoảng 20% giá trị so với thực tế việc thông số hệ số k, E chưa chuẩn xác Điều tài liệu cần xác định theo nghiệm CH Do H2SO4 axit mạnh nên gần thực tế mô ưu tiên phản ứng hết với NH3 sau đến H3PO4, hàm lượng H2SO4 không nhiều nên đảm bảo chất lượng phốt sản phẩm Tà i liệ u H U TE Thiết bị tiền trung hòa cho thành phần diammonium phosphate nhiều ammonium phosphate, thiết bị phản ứng ống cho giá trị ngược lại Từ để điều chỉnh tỷ lệ Phốt Nitơ hợp lý theo nhu cầu thị trường HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 99