Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Mô phỏng quá trình tạo hạt urea bằng phần mềm matlab

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn 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)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐẠI 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 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301

- Tìm hiểu về urea và công nghệ sản xuất urea trong công nghiệp

- Xây dựng mô 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 - Mô phỏng quá 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

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

i

LỜI CÁM ƠN

Xin trân trọng cảm ơn Khoa kỹ thuật hóa học, Thầy Cô Bộ môn Công nghệ Hóa vô 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 tôi thực hiện và hoàn thành nghiên cứu này Tôi cũng xin cảm ơn tất cả Anh/Chị nghiên cứu viên, Anh/chị làm việc tại phòng thí nghiệm đã hỗ trợ tôi hoàn thành các kết quả trong báo cáo này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn và kính chúc Quý thầy cô đã đồng hành và theo dõi em trong suốt thời gian qua thật nhiều sức khoẻ và ngày càng thăng tiến trong công việc

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023

Học viên

Hà Kim Thanh Vy

ii

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 công 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 quá 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 mô hình hoàn thiện, chính xác hơn cho quá trình đóng rắn hạt urea trong các tháp tạo hạt công nghiệp Một mô hình hoàn thiện hơn sẽ cho phép ta thiết kế chính xác tháp tạo hạt đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm Mô hình tốt cũng giúp cho việc dự đoán tính chất sản phẩm khi có một hoặc vài thông số hoạt động bị thay đổi như lưu lượng, tính chất dòng không 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 mô hình đề xuất được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab Nội dung cụ thể của luận văn như sau:

Chương 1, Tổng quan

Chương 2, Mô phỏng quá 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

ĐT: 0966572797; Email: hktvy.sdh20@hcmut.edu.vn

iii

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

268 Ly Thuong Kiet, District 10, Ho Chi Minh City Tel: 0966572797; Email: hktvy.sdh20@hcmut.edu.vn

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công 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 tôi xin hoàn toàn 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 không liên quan đến những vi

phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023 Tác giả luận văn

Chữ ký

Hà Kim Thanh Vy

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 trò của mô 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

vi

2.2.3 Phương pháp Enthapy giải bài toán Stefan 33

2.3 Mô tả phương trình toán học 34

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 công trình khoa học 59

Tài liệu tham khảo 60

Phụ lục 63

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hình ảnh tinh thể urea 1

Hình 1.2 Công thức phân tử của urea 2

Hình 1.3 Các trường hợp phân hủy của urea 4

Hình 1.4 Công nghệ không thu hồi 9

Hình 1.5 Công 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 1.15 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 toán đông 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 không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô, nhiệt độ không 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 không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô, nhiệt độ không khí là 30oC) 45

Hình 3.3 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm không khí là W= 0,01 (kg nước/ kg không khí khô), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ không 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 không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ không khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.8mm) 46

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm không khí là W= 0,03 (kg nước/ kg không khí khô), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ không khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.8mm) 47

viii

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ không khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.4mm) 47 Hình 3.7 Mối quan hệ giữa độ ẩm theo bán kính của hạt (Độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), điều kiện vận tốc ban đầu là 5m/s, nhiệt độ không khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.6mm) 48 Hình 3.8 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), bán kính hạt 0.4mm, nhiệt độ không khí là 20 oC) 49 Hình 3.9 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), bán kính hạt 0.4mm, nhiệt độ không khí là 30oC) 49 Hình 3.10 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), bán kính hạt 0.4mm, nhiệt độ không khí là 40oC) 50 Hình 3.11 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), bán kính hạt 0.5mm, nhiệt độ không khí là 20oC) 50 Hình 3.12 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), bán kính hạt 0.5mm, nhiệt độ không khí là 30oC) 51 Hình 3.13 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô), bán kính hạt 0.5mm, nhiệt độ không khí là 40oC) 51 Hình 3.14 Nhiệt độ ở trung tâm của các giọt so với thời gian đối với các đường kính hạt khác nhau (Các hạt có đường kính từ 0.4mm đến 1.2mm, Vận tốc ban đầu là 5m/s, nhiệt độ không khí là 30oC, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô)) 52 Hình 3.15 Nhiệt độ ở trung tâm của các giọt so với thời gian đối với các đường kính hạt khác nhau (Các hạt có đường kính từ 0.4mm đến 3.2mm, Vận tốc ban đầu là 5m/s, nhiệt độ không khí là 30oC, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô)) 52 Hình 3.16 Bán kính lỏng của các hạt theo chiều cao tháp (Vận tốc ban đầu là 5m/s, nhiệt độ không khí là 30oC, độ ẩm không khí là W= 0,02 (kg nước/ kg không khí khô)) 54 Hình 3.17 Nhiệt độ ở trung tâm của các giọt so với thời gian đối với các đường kính hạt khác nhau (vận tốc gió ban đầu thay đổi từ 1 đến 6m/s, độ ẩm không khí là 0.02, bán kính hạt 0.4) 54Hình 4.1 Cụm thiết bị phân xưởng Urea nhà máy Đạm Phú Mỹ 59

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đặc tính urea 3 Bảng 2.1 Các thông số sử dụng trong phương trình mô phỏng thủy động lực học 35 Bảng 2.2 Các kí hiệu sử dụng trong phương trình mô phỏng cân bằng độ ẩm 36 Bảng 2.3 Giá trị của các thông số trong phương trình mô phỏng thủy động lực học 38 Bảng 2.4 Giá trị của các thông số trong phương trình cân bằng độ ẩm 39 Bảng 2.5 Giá trị của các thông số trong phương trình mô phỏng cân bằng nhiệt 43 Bảng 3.1 Vận tốc cân bằng và thời gian để hạt đạt vận tốc cân bằng 44

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 công nghiệp sau này

Hình 1.1 Hình ảnh tinh thể urea

Cho tới những năm đầu thế kỷ 20 thì urea mới được sản xuất trên quy mô công nghiệp nhưng ở mức sản lượng rất nhỏ Sau đại chiến thế giới thứ hai, nhiều nước và hãng sản xuất đã đi sâu cải tiến quy trình công nghệ để sản xuất urea Những hãng

2

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 Công 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) Ngoài ra urea còn được biết với tên gọi là Cacbamid, Cacbonyldiamide, Carbonyldiamine, Diaminomethanal, Diaminomethanone Urea ở dạng tinh thể trắng, là chất hút ẩm và không ăn mòn 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

Theo số liệu thống kê cho thấy, urea thường bị hút ẩm do hàm ẩm trong không khí cao, đặc biệt vào ngày hè, ẩm thấp Urea hút ẩm nhiều sẽ gây nên hiện tượng kết

3

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]

Nhiệt kết tinh, dịch urea nước 70%, J/g 460

73% (tại 30oC) Nhiệt riêng, J/Kg.K

Tác dụng với muối khác theo phương trình (1.1):

CO(NH2)2 + Ca(H2PO4)2H2O = CO(NH2)2 +H3PO4 + CaHPO4 + H2O (1.1) Hòa tan trong nước: urea chỉ bền trong dung dịch nước đến 800oC, còn nếu nhiệt độ cao hơn thì nó thủy phân rất chậm để tạo thành amoni carbamate, sau đó amoni carbamate lại phân hủy thành ammonia và carbon dioxide Phản ứng này là cơ sở để

4

sử dụng urea làm phân bón vi sinh vật trong lòng 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 ↔ NH4NCO ↔ NH3 + HNCO (1.7)

Hình 1.3 Các trường hợp phân hủy của urea

Ở điều kiện áp suất thường và tại điểm nóng chảy của nó, urea phân hủy thành amoniac, biuret (1), acid cyanuric (2), ammelide (3) và triuret (4) như Hình 1.3 trình bày Biuret là sản phẩm phụ bất đắc dĩ chủ yếu có trong urea Nếu trong sản phẩm đạm urea cấp phân bón mà hàm lượng biuret vượt quá 2% trọng lượng sẽ gây độc hại đối với cây trồng, lá bị mất chất diệp lục trở nên trắng [3]

5

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 công thức khác nhau như photphat urea amôn; sunphat amôn urea và urea phophat (urea + acid photyphoric), các dung dịch urea nồng độ thuộc nitrat amôn 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 môi 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

- Trong công nghiệp:

6

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 công 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 không gây ra hiện tượng ăn mòn 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 còn 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 phòng 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 đoán sinh lý học:

Do urea được sản xuất và bài tiết khỏi cơ thể với một tốc độ gần như không đổi, nồng độ urea cao trong máu chỉ ra vấn đề với sự bài tiết nó hoặc trong một số trường hợp nào đó là sự sản xuất quá nhiều urea trong cơ thể Nguyên nhân phổ biến của bệnh urea huyết là các vấn đề về hệ tiết niệu Nó được lấy thông số cùng với creatinin để chỉ ra các vấn đề trực tiếp liên quan tới thận (ví dụ: hư thận mãn tính) hay các vấn đề thứ cấp như chứng giảm hoạt động tuyến giáp Nồng độ urea cũng có thể tăng

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 còn 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 công nghệ tiên tiến, Vì vậy, dự đoán 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

Hiện nay, tại Việt Nam có 4 nhà máy sản xuất urea bao gồm Đạm Hà Bắc, Đạm Ninh Bình, Đạm Phú Mỹ và Đạm Cà Mau Cả Đạm Phú Mỹ và Đạm Cà màu đều là

8

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 còn 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 nông 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 công nghệ chính như sau:

Thứ nhất, công nghệ không thu hồi như Hình 1.4 trình bày Quy trình không thu hồi là quy trình đơn giản nhất và chi phí ít nhất (cả vốn và chi phí hoạt động) trong số ba quy trình Tuy nhiên, nó lại kém linh hoạt và khó có thể hoạt động trừ khi có khả năng để sử dụng một lượng lớn ammonia và xử lý khí thải CO2 và NH3 (sản phẩm từ quá trình phân giải) được mang đến các phân xưởng khác để sản xuất các loại phân bón khác như như: ammonium nitrate, ammonium sulphate…Cacbamat chưa chuyển hóa được phân hủy thành NH3 và khí CO2 bằng cách gia nhiệt hỗn hợp với công nghệ ở điều kiện thấp áp Khí NH3 và CO2 thoát khỏi dịch urea và được sử

Áp suất cao

Tháp phân hủy Cacbamat

Hơi nướcĐóng khí (Áp suất thấp)

Đóng khí (Áp suất cao)Nước thải

Chuyển đổi NH3 35%Chuyển đổi CO2 75%Lò phản ứng urea 200

atm, 185°CNH3 lỏng dư 100%

Chuyển đổi NH3 35%Chuyển đổi

CO2 7%

Bộ tách cao ápLò phản

ứng urea

Tái chế dung dịch Carbamate

Kết thúcTháp phân hủy Cacbamat thấp áp

Tổng hợp khí đốt đồng nhất sản phẩmTháp phân hủy

Cacbamat cao áp

Bộ hấp thụ áp suất caoAmmonia

Lò sấyLò sấy

Hình 1.5 Công nghệ thu hồi một phần [4]

Thứ hai, công nghệ thu hồi một phần như Hình 1.5 trình bày Một phần khí thải được tái chế trở lại lò phản ứng Amoniac giảm xuống còn 15% so với lượng của quá trình công nghệ không thu hồi, và sau đó được dùng cho quá trình khác Nó có ứng dụng trong các nhà máy sản xuất sản phẩm dạng nitơ amoni nitrat (UAN) Khí thải ra từ công đoạn phân huỷ có chứa NH3, CO2: Một phần được sử dụng làm nguyên

1.3.1 Quy trình sản xuất phân urea

Quy trình sản suất urea được mô 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, không 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 không thích hợp để sử dụng làm phân bón

Các công đoạn chính:

- Công đoạn nén CO2

CO2 bão hòa hơi nước độ tinh khiết tối thiểu 98,5% thể tích, có nhiệt độ 45oC và áp suất 0,18 bar lấy từ phân xưởng Amoniac, lượng lỏng cuốn theo được tách ra và được đưa về hệ thống thải lỏng, lượng CO2 được đưa tới cửa hút thứ nhất của máy nén

11

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 dòng khí Nhiệt đô 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 áp

Phân giải và thu hồi thấp áp

Cô đặc chân không (Urea 96%)Phân

giải và thu hồi cao ápTổng

hợp cao áp

Xử lý nước ngưngNén CO2

Urea đến xưởng tạo hạt

Dung dịch urea

Dung dịch ureaCarbonateCarbonate

Hình 1.6 Sơ đồ quy trình sản xuất urea [4]

Hình 1.7 Thu hồi CO2 ở áp suất cao [4]

Dòng 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 mô tả

Hỗn hợp CO2 và NH3 được nén ở 240 bar được đưa vào thiết bị phản ứng để tạo thành amoni cacbamat Đây là một phản ứng tỏa nhiệt và nhiệt được thu hồi bởi một

12

lò hơi nước Lò phản ứng đầu tiên thực hiện chuyển đổi 78% carbon dioxide thành urea và chất lỏng sau đó được tinh chế Lò 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)

Hình 1.9 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 thấp áp [4]

13

NH2COONH4 ⇄ 2NH3 + CO2 (1.11) Đồng thời, một lượng amoniac và carbon dioxide ban đầu bay ra Sau đó, áp suất được giảm xuống còn 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 hòa tan trong nước và không còn 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 lò phản ứng chính

Hơi nước tách ra

Dung dịch urea 99.8%Nước

ngưngHơi nước

3.4 bar

Dung 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 không, 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 80C đến 110C 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 140C 25% còn lại của dung dịch urea 68% khối lượng được xử lý trong điều kiện chân không ở 135C trong bố trí thiết bị tách-bay hơi hai dãy

Urea thương mại làm phân bón ở dạng hạt với đường kính từ 1-4 mm Quá trình tạo hạt urea là quá trình hạt lỏng chuyển pha từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Hạt lỏng kết tinh từ quá trình tạo mầm tinh thể tới phát triển mầm Quá trình tạo hạt bị tác động bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, vận tốc khí làm nguội Đây là một quá

14

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 không 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 khuôn ép [5]

Hình 1.12 Sự hình thành hạt theo phương pháp tạo ẩm Urea

99.8%

Urea sản phẩm

Khi dung dịch bão hòa, mầm sẽ xuất hiện, độ bão hòa tăng thì số lượng và tốc độ kết tinh mầm cũng tăng lên Có thể tạo mầm nhân tạo để kích thích quá 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

Sự phát triển mầm thành hạt có thể thấy được theo phương pháp tuyến mầm Tuy nhiên tùy vào tốc độ phát triển theo các phương và điều kiện tiến hành kết tinh mà hạt có hình dạng, độ bền hạt… sẽ khác nhau Tốc độ phát triển mầm theo các phương đều nhau cho ta hạt cầu, không đều nhau cho ta hình dạng bất kỳ: hình tấm, kim, nhánh cây Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến quá trình kết tinh, khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng năng lượng, tăng tốc độ chuyển động, giảm độ nhớt, tăng quá trình khuếch

16

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 không 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 trò 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 hòa 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 quá 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 khoáng, hóa chất vật liệu thường gặp trong công 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 không đều, chứa nhiều bụi tinh thể, khi bảo quản các bụi tinh thể đóng vai trò 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

chủ yếu gây kết khối Khi hút ẩm phần bề mặt hạt sẽ chảy ra và trên pha tiếp

17

xúc giữa các hạt có sự kết dính

• Sự kết khối phụ thuộc nhiệt độ của môi 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 không 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 tuân 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 không khí thay đổi ít • Bảo quản trong bao bì kín không khí không lọt vào

• Nếu quá 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 vòi 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 không 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]

Trong kỹ thuật tạo hạt, một luồng không khí quay tốc độ cao được thiết lập trong ống kết tụ trung tâm Các hạt được nhặt ở đáy ống và được tăng tốc bởi luồng không khí Các hạt tiếp xúc với các giọt chất lỏng được tạo ra từ vòi phun ở đáy ống Vận

18

tốc tương đối của các hạt, không 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 không 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 mô hình hóa và mô phỏng quá trình tạo hạt urea được đưa vào sản xuất công 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 quá trình sản xuất khác nhau Do đó, nó nhằm mục đích đánh giá mối quan hệ giữa các quy trình hoàn 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 công 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] Ngoài 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

Urea hạt trong là loại phổ biến nhất như Hình 1.15a, dùng bón trực tiếp cho cây trồng, phân rất dễ tan, màu trắng, trong và dạng hạt tròn Hình 1.16 trình bày cấu trúc cơ bản của một tháp tạo hạt Trong công nghệ urea hạt trong, dạng urea lỏng sau thi

19

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 dòng không 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 chảyKhông khí

Không khí ra

Không khí vào

Không khí vàoGuồng quay

Hình 1.16 Cấu tạo tháp tạo hạt

Đây là loại phân rất tốt, do chậm tan và ít bị bay hơi so với urea hạt trong, nên hiệu suất sử dụng cao hơn như Hình 1.15b trình bày Có thể bón trực tiếp cho cây trồng hoặc dùng làm nguyên liệu sản xuất các loại phân bón khác như NPK Phân có dạng hạt to, đường kính từ 2-3.5 mm, cứng và đục như sữa Trong công nghệ urea hạt đục, dòng không khí với tốc độ cao, được đưa vào ống trung tâm Các hạt urea lỏng được đẩy ra tại đầu bép phun Tùy theo tốc độ dòng khí mà các hạt, không khí có độ ẩm khác nhau và gần như được làm khô ngay lập tức Trong quá trình tạo hạt, urea lỏng được thêm vào các hạt nhỏ, nhằm tác dụng tạo mầm tinh thể Trong khi không khí đi ngược chiều và hóa rắn từng lớp lỏng bao quanh mầm tinh thể cho tới khi hạt rơi xuống đáy tháp Trong một số trường hợp, urea lỏng được khống chế như

20

vậy trước khi đem đi tạo hạt Quá 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 công 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 công nghệ urea hạt trong sẽ cho ra sản phẩm có cơ tính đồng đều hơn so với công nghệ urea hạt đục

Qua các phân tích trên cho thấy, công nghệ tạo hạt urea có vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình sản xuất urea Để công nghệ có thể đưa vào vận hành và sản xuất chính xác, qui trình tạo hạt urea cần được kiểm chứng thông qua một mô hình mô phỏng Quá trình mô phỏng nhằm đưa ra được qui trình sản xuất tiêu chuẩn và thông số vận hành thích hợp

Một số công nghệ tạo hạt:

- Công 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 không khí chính Kiểu bố trí này cho phép tạo được các hạt sản phẩm rơi theo dạng dòng ngang, quá trình này có tính đến việc tăng thêm dòng không khí lạnh Kết quả hiệu suất làm lạnh của tháp tạo hạt được nâng cao và được duy trì

Không khí môi trường thêm vào (tùy theo mùa) sẽ được khống chế thông qua các tấm chắn điều chỉnh đặt tại nền của tháp tạo hạt trên tấm trượt hình côn Tấm

21

trượt không khí dưới đáy bao gồm một tấm đục lỗ để cho không khí môi trường thoát qua theo tốc độ cưỡng bức, để ngăn không cho các dòng hạt cứng ảnh hưởng đến tấm đục lỗ Tấm trượt không khí hình côn được bao quanh bởi một buồng kín khí, tại đây không khí môi trường được cấp bởi các quạt không khí dưới đáy Một hệ thống gồm các cửa khóa không khí kép cho phép ta tiếp cận được buồng không 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 côn của tấm trượt không khí được thu gom tập trung lại để đưa vào băng tải tạo hạt Không khí tại đầu vào của các quạt trượt hình côn 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 lôi cuốn theo dòng khí làm lạnh thổi qua tháp tạo hạt Để giảm sự thoát khí, dung dịch acid sunfuric 98% từ bồn chứa được phun vào dòng 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 thông qua băng tải tuần hoàn

- Công nghệ của G – TEC

Sản phẩmDung

dịch urea thu hồiNguồn cấp urea

Làm mát sản phẩm

Hình 1.17 Dây chuyền tạo hạt và sản phẩm [11]

TEC (Toyo Engineering Corp) phát triển công nghệ tạo hạt urea dạng G từ 1977 và đã được thương mại hóa năm 1979 như Hình 1.17 Công nghệ này có thể cung cấp

22

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 côn có 1 cửa mở ở phần đáy của phần côn để đưa không 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 tròn và đóng rắn hoàn toàn 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 thông qua các vòi 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 không 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 không 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

Dung dịch urea được phun lên bề mặt của các hạt mầm urea tuần hoàn lơ lửng trên tầng sôi trong thiết bị tạo hạt Các hạt mầm urea lớn dần lên khi đi qua tầng sôi Dung dịch urea kết tụ trên bề mặt các hạt mầm được nhanh chóng làm nguội và hóa rắn, và đồng thời lượng ẩm trong dung dịch urea cũng bốc hơi Do đó, hạt urea được làm khô đến độ ẩm dưới 0,3% khối lượng tại đầu ra của thiết bị tạo hạt Công đoạn làm nguội và hóa rắn nhanh cũng tạo nên màu sắc đặc biệt – màu đục – của hạt phân Nhiệt độ của không khí phun và không khí tầng sôi được kiểm soát nhờ các thiết bị gia nhiệt tương ứng nhằm duy trì nhiệt độ tầng sôi khoảng 110-120oC để làm nguội

23

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 công nghệ tạo hạt tầng sôi đã được kiểm chứng là có nhiều ưu điểm như kích thước hạt tròn 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 khô 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 môi trường

Ngoài ra công nghệ tạo hạt tầng sôi 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 trò của mô phỏng trong các quy trình sản xuất

Mô phỏng là phương pháp mô hình hoá dựa trên việc thiết lập mô hình số, vì vậy còn được gọi là Digital Simulation Đây là một công cụ rất mạnh để giải các biểu thức toán học mô tả các quá trình công nghệ hoá học Để mô phỏng một quá trình trong thực tế đòi hỏi trước hết phải thiết lập mô hình nguyên lý của quá trình và mối liên hệ giữa các thông số liên quan Tiếp đó là sử dụng các công cụ toán học để mô tả mô hình nguyên 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]

Trong thực tế việc tính toán gặp hai khó khăn Thứ nhất đó là giải hệ các phương trình đại số phi tuyến Thứ hai là phép tính tích phân của các biểu thức vi phân, sử dụng các biểu thức vi phân hữu hạn rời rạc để xấp xỉ các biểu thức vi phân liên tục Các mô hình toán học rất hữu ích trong tất cả các giai đoạn, từ nghiên cứu triển khai đến cải tiến phát triển nhà máy, và ngay cả trong nghiên cứu các khía cạnh thương mại và kinh tế của quá trình công nghệ Trong nghiên cứu công nghệ, dựa trên các số liệu nghiên cứu về cơ chế và động học của phản ứng trong phòng thí nghiệm hoặc các phân xưởng, đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tiến hành quá trình để nghiên

24

cứu tối ưu hoá và điều khiển quá trình, bao gồm cả nghiên cứu tính toán mở rộng quy mô sản xuất [12] Trong nghiên cứu thiết kế, tính toán kích thước, các thông số của thiết bị và toàn 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 công đoạn trong công nghệ khi có sự tuần hoàn nguyên liệu hoặc trao đổi nhiệt tận dụng tối ưu nhiệt của quá trình Mô phỏng tính toán 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 công nghệ hoá 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 toán học, các điều kiện ràng buộc tăng lên Giải quyết đồng thời các vấn đề trên đòi hỏi một khối lượng tính toán cực kỳ lớn, việc tính toán bằng tay đòi hỏi rất nhiều thời gian và hầu như là không thể thực hiện được một cách chính xác và tin cậy [13]

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ phần mềm tin học, sự ra đời của các phần mềm mô phỏng, việc nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ bằng phương pháp mô phỏng đang ngày càng phát triển, đã trở nên phổ biến và chiếm ưu thế Mô phỏng công nghệ bằng các phần mềm mô phỏng với sự trợ giúp của máy vi tính là giải pháp hiệu quả, toàn diện và cho kết quả tin cậy Trong ngành công nghệ hoá học, mô phỏng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc nghiên cứu thiết kế công nghệ, phân tích, vận hành và tối ưu hoá hệ thống, điều khiển các quá trình công nghệ gần với các quá trình trong thực tế, và trong các nghiên cứu tính toán tối ưu hoá về mặt kinh tế của quá trình công nghệ [14] Chương trình mô phỏng nói chung bao gồm các thành phần sau: Thư viện cơ sở dữ liệu (các hệ nhiệt động, các cấu tử bao gồm các tính chất vật lý và hoá lý của chúng,…), các thuật toán liên quan đến việc truy cập, tính toán các tính chất hoá lý của các cấu tử và hỗn hợp cấu tử, thiết lập các cấu tử giả Có thể bổ sung các cấu tử, hoặc thay đổi các hệ đơn vị trong chương trình đáp ứng yêu cầu của người sử dụng Các công cụ mô phỏng cho các thiết bị có thể có trong hệ thống công

25

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 dòng, chia dòng… Phần này có chứa các mô hình toán, thuật toán phục vụ cho quá trình tính toán các thông số của thiết bị và các thông số công nghệ của quá trình công nghệ được mô phỏng Các công cụ logic phục vụ cho việc tính toán tuần hoàn nguyên liệu, thiết lập các thông số công nghệ, điều chỉnh các thông số theo yêu cầu công nghệ, tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, tính toán cân bằng pha,… Các công cụ mô phỏng các quá 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 công nghệ hoá học Chương trình điều hành chung toàn bộ hoạt động của các công cụ mô phỏng và ngân hàng dữ liệu Chương trình xử lý thông tin: lưu trữ, xuất, nhập, in… dữ liệu và kết quả tính toán được từ quá trình mô phỏng Hỗ trợ việc kết nối giữa các chương trình mô phỏng khác nhau, kết nối với các mô-đun xây dựng các thiết bị đặc biệt do người sử dụng tạo ra bằng các ngôn ngữ lập trình như Visual Basic, Visual C++, … [15], [16]

Các phần mềm mô 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 mô hình tính toán rất gần với thực tế công nghệ Các công cụ mô phỏng công nghệ rất mạnh phục vụ cho nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ của các kỹ sư trên cơ sở hiểu biết về các quá trình công nghệ hóa học Điều này đáp ứng các yêu cầu công nghệ nền tảng cơ bản cho mô hình hoá và mô phỏng các quá trình công nghệ từ khai thác tới chế biến trong các nhà máy xử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến các quá trình công nghệ lọc hoá dầu, công nghệ hoá học

1.5 Một số vấn đề cơ bản về phần mềm Matlab

MATLAB là tên viết tắt từ “MATrix LABoratory” Như tên của phần mềm cho thấy, phần cốt lõi của phần mềm là dữ liệu được lưu dưới dạng array (ma trận) và các phép tính toán ma trận, giúp việc tính toán trong MATLAB nhanh và thuận tiện hơn so với lập trình trong C hay FORTRAN Đặc biệt, khả năng tính toán của MATLAB có thể dễ dàng được mở rộng thông qua các bộ toolbox MATLAB là một bộ chương

26

trình phần mềm lớn dành cho tính toán kỹ thuật Ta có thể dùng MATLAB để: Tính toán; Phát triển thuật toán; Thu thập dữ liệu; Mô hình và mô 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): ngôn ngữ lập trình bậc cao

- Graphics: các công cụ giúp hiễn thị dữ liệu dưới dạng đồ thị Ngoài ra nó còn

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 toán của MATLAB trong chương trình C hay FORTRAN

1.6 Mục tiêu của luận văn

Nghiên cứu mô tả quá trình chuyển pha Stefan hai pha trong quá trình tạo hạt urea Lựa chọn thông số, viết chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab, đánh giá và phân tích kết quả

1.7 Nội dung và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này đề ra một mô hình hoàn thiện, chính xác hơn cho quá trình đóng rắn hạt urea trong tháp tạo hạt công nghiệp Một mô hình hoàn thiện hơn sẽ cho phép ta thiết kế chính xác tháp tạo hạt đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm Mô hình tốt cũng giúp cho việc dự đoán tính chất sản phẩm khi có một hoặc vài thông số hoạt động bị thay đổi như lưu lượng, tính chất dòng không khí làm mát Từ đó có thể đưa ra cách vận hành phù hợp, hạn chế thành phẩm không đạt chất lượng Với sản lượng urea hàng năm toàn thế giới khoảng 200 triệu tấn, riêng ở Việt Nam là khoảng 2,5 triệu tấn, việc hiểu rõ quá trình tạo hạt, một trong những công đoạn chính tạo sản phẩm urea, có một lợi ích hết sức to lớn

27

1.8 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, kết hợp mô phỏng và thực nghiệm

Xử lý thống kê với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng Matlab

1.9 Đóng góp mới về khoa học của luận văn

Trong nghiên cứu này, quá 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 toán Stefan 2 pha, trong đó sự truyền nhiệt diễn ra trong cả 2 pha lỏng và rắn Quá 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, thông 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 mô phỏng trên Matlab Chương 4: Kết luận

Nội dung chính của luận được trình bày trong chương 2 và 3 Chương 2 trình bày mô tả động học của đối tượng, mô tả cân bằng độ ẩm và cân bằng nhiệt, cách thức và thông số triển khai mô phỏng Chương 3 trình bày các kết quả mô phỏng, nhận xét, đánh giá và đưa ra một số kết luận