Nghiên cứu thực nghiệm tinh chế axit phosphoric trích ly bằng dung môi tributyl phosphate (TBP)

BÙI QUANG TUẤN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI QUANG TUẤN KỸ THUẬT HÓA HỌC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TINH CHẾ AXIT PHOSPHORIC TRÍCH LY BẰNG DUNG MƠI TRIBUTYL PHOSPHATE (TBP) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HĨA HỌC KHỐ 2017A Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI QUANG TUẤN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TINH CHẾ AXIT PHOSPHORIC TRÍCH LY BẰNG DUNG MÔI TRIBUTYL PHOSPHATE (TBP) Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TẠ HỒNG ĐỨC Hà Nội – 2019 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu đưa luận văn hoàn toàn trung thực, dựa kết thu trình nghiên cứu riêng tôi, không chép kết nghiên cứu tác giả khác Tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm nội dung khoa học đề tài Hà Nội, ngày 01 tháng 03 năm 2019 NGƯỜI THỰC HIỆN Bùi Quang Tuấn HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 i Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, giảng dạy nhiệt tình thầy trường Đại học Bách khoa Hà Nội, học xong chương trình khóa học thạc sĩ Để có thành cơng này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc giảng viên mơn Máy thiết bị cơng nghiệp Hóa chất – Dầu khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt thầy giáo TS Tạ Hồng Đức, người hướng dẫn khoa học Thầy giúp đỡ tận tình suốt q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn Đồng thời xin cảm ơn Giáo sư Jan J Weigand, TS Linda, TS Oliver Busse thuộc Khoa Hóa học Hóa thực phẩm, Trường Đại hoc kỹ thuật Dresden (TU Dresden, Dresden, CHLB Đức) tận tình hỗ trợ hướng dẫn tơi thời gian thực nghiên cứu CHLB Đức Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo anh chị em phịng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu phát triển hóa chất Đức Giang, thuộc Tập đồn hóa chất Đức Giang, nơi tơi cơng tác, phịng thí nghiệm Khoa Hóa học Hóa thực phẩm, Trường Đại học kỹ thuật Dresden (TU Dresden, Dresden, CHLB Đức) tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành cơng trình Cũng này, xin chân thành cảm ơn Viện sau Đại học - Đại học Bách Khoa Hà Nội, quan tâm tạo điều kiện cho thời gian học tập nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 ii Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii LỜI MỞ ĐẦU x CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ AXIT PHOSPHORIC, CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH CHẾ .1 1.1 Tổng quan axit Phosphoric 1.1.1 Thị trường axit Phosphoric giới 1.1.2 Thị trường axit Phosphoric Việt Nam 1.1.3 Công nghệ sản xuất H3PO4 1.2 Thành phần tạp chất axit Phosphoric trích ly phương pháp xử lý 1.2.1 Thành phần tạp chất axit Phosphoric trích ly 1.2.2 Các phương pháp tinh chế axit Phosphoric .5 1.3 Các công nghệ tinh chế axit Phosphoric sử dụng công nghiệp giới Việt Nam 10 1.3.1 Các công nghệ tinh chế axit Phosphoric sử dụng giới 10 1.3.2 Các công nghệ tinh chế axit Phosphoric sử dụng Việt Nam 14 CHƯƠNG MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH TINH CHẾ AXIT PHOSPHORIC TRÍCH LY BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾT LỎNG – LỎNG 15 2.1 Mục tiêu luận văn 15 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp chiết lỏng – lỏng 15 2.2.1 Khái niệm [51] .15 2.2.2 Phân loại: .16 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 iii Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức 2.3 Cân pha 20 2.3.1 Khái niệm cân pha 20 2.3.2 Cân pha hệ lỏng – lỏng 21 2.4 Nguyên tắc chiết 25 2.5 Cân vật liệu trình chiết 26 2.6 Các phương pháp chiết 27 2.6.1 Chiết bậc 27 2.6.2 Chiết nhiều bậc chéo dòng .30 2.6.3 Chiết nhiều bậc ngược chiều 32 2.7 Lựa chọn phương pháp tinh chế 33 2.8 Lựa chọn dung môi chiết 33 2.9 Xác định số bậc lý thuyết 36 2.9.1 Đồ thị McCabe – Thiele 36 2.9.2 Xác định số bậc chiết lý thuyết chiết nhiều bậc ngược chiều .38 2.10 Xác định số bậc chiết thực tế 42 2.11 Hiệu suất chiết 42 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP VÀ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU 43 3.1 Phương pháp nghiên cứu 43 3.1.1 Tiến trình thực nghiên cứu .43 3.1.2 Các phương pháp phân tích khối lượng 45 3.2 Hóa chất, dụng cụ phương pháp phân tích 45 3.2.1 Các hóa chất dùng nghiên cứu .45 3.2.2 Các dụng cụ dùng nghiên cứu 49 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 51 4.1 Ảnh hưởng yếu tố lên trình chiết (extracting) 51 4.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ lên hiệu suất chiết 51 4.1.2 Ảnh hưởng nhiệt solvat hóa lên nhiệt độ hỗn hợp chiết 52 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 iv Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức 4.1.3 Ảnh hưởng thời gian khuấy lên hiệu suất chiết .53 4.1.4 Ảnh hưởng tỉ lệ pha hữu cơ/ pha nước lên hiệu suất chiết 53 4.2 Xác định số bậc chiết lý thuyết hiệu suất trình 54 4.2.1 Xác định số bậc chiết lý thuyết hiệu suất trình chiết 54 4.2.2 Xác định số bậc lý thuyết hiệu suất trình rửa .57 4.2.3 Xác định số bậc lý thuyết hiệu suất trình tái chiết .58 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ SỞ THÁP CHIẾT 60 5.1 Lựa chọn thiết bị 60 5.2 Sơ đồ P&ID q trình tinh chế axit Phosphoric trích ly thành axit kỹ thuật 61 5.3 Tính tốn thiết kế sở tháp chiết (Tháp Kühni) 62 5.3.1 Cân vật chất cho tháp chiết 63 5.3.2 Cân lượng cho tháp chiết .66 5.3.3 Đường kính khoang khuấy (đường kính tháp) 70 5.3.4 Đường kính ngồi cánh khuấy 70 5.3.5 Diện tích trống tĩnh (Free area) 70 5.3.6 Chiều cao khoang khuấy 70 5.3.7 Chiều cao tháp 71 5.3.8 Đường kính ống dẫn dung dịch vào – khỏi tháp 71 CHƯƠNG KẾT LUẬN .75 6.1 Những kết luận 75 6.1.1 Nghiên cứu tính tốn thiết kế sở cơng nghệ tinh chế axit Phosphoric trích ly phương pháp chiết dung môi 75 6.1.2 Số bậc chiết lý thuyết ứng với công nghệ lựa chọn 75 6.2 Đóng góp mới, kiến nghị 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 82 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 v Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A&W : Albright & Wilson DAP : Diamoni Phosphate DH : Quá trình Dihydrat DHH : Quá trình Dihemihydrat DIBK : Diisobutyl Keton DNNSA : DiNonylNaphtalene Sulfonic Acid EED : Electro-electrodialysis GTSP : Granulation Triple Superphosphate HDH : Quá trình Hemidihydrat HH : Quá trình Hemihydrat MAP : Mono amoni photphat MIBK : Metyl iso butyl keton MSP : Monosodium phosphate NF : Nano filtration/ Lọc nano O/A : Organic/Aqueous (pha dung môi/pha nước) PTFE : Polytetrafluoroethylene (nhựa teflon) PWA : Purification of Wet phosphoric acid RIP : Rượu iso propylic RO : Reverse osmosis SDDS : Sodium Diethyldithiocarbamate SDS : Sodium dodecyl sulfonate R-P : Rhône – Poulenc STPP : Sodium tripoly phosphate TAA : Trialkylamin TBP : Tributylphotphat TNHH MTV : Trách nhiệm hữu hạn thành viên WPA : Wet Phosphoric acid WPPAP : Wet Phosphoric acid process HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 vi Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Nhu cầu tiêu thụ phân bón giới .1 Bảng 1.2 Các công nghệ tinh chế axit Phosphoric phát triển giới 11 Bảng 3.1 Kế hoạch tiến hành thí nghiệm mơ chiết ngược liên tục bước 44 Bảng 3.2 Chỉ tiêu chất lượng TBP 46 Bảng 3.3 Chỉ tiêu chất lượng Kerosene 46 Bảng 3.4 Thành phần hóa học WPA 47 Bảng 3.5 Thành phần hóa học H3PO4 kỹ thuật 47 Bảng 3.6 Thành phẩn mẫu axit Phosphoric sử dụng nghiên cứu 48 Bảng 4.1 Nồng độ H3PO4 phân bố pha raffinate pha trích (chiết) 54 Bảng 4.2 Hiệu suất tách bậc trình chiết 56 Bảng 4.3 Nồng độ H3PO4 phân bố pha raffinate pha trích (rửa) .57 Bảng 4.4 Nồng độ cấu tử phân bố pha raffinate pha trích (tái chiết) .58 Bảng 5.1 Thiết bị chiết lỏng – lỏng phạm vi sử dụng [58] 60 Bảng 5.2 Nhiệt dung nguyên tố, J/moloC 66 Bảng 5.3 Nhiệt dung riêng H3PO4 66 Bảng 5.4 Nhiệt dung riêng đẳng áp số nhóm chức hữu 68 Bảng 5.5 Nhiệt dung riêng đẳng áp số nguyên tố nhóm chức hữu 68 Bảng 5.6 Tóm tắt số liệu nhiệt dung riêng dịng .68 Bảng 5.7 Số liệu dòng vật chất dòng lượng vào, tháp chiết 69 Bảng 6.1 Số bậc lý thuyết hiệu suất trình 75 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 vii Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Thị phần sử dụng H3PO4 giới năm 2015 Hình 1.2 Nhu cầu axit phosphoric Việt Nam Hình 2.1 Sơ đồ nguyên tắc chiết lỏng – lỏng 16 Hình 2.2 Sơ đồ cân pha 20 Hình 2.3 Đồ thị tam giác 22 Hình 2.4 Đường cân đồ thị tam giác .23 Hình 2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ lên kích thước vùng dị thể (t1 < t2 < t3) 24 Hình 2.6 Để khảo sát nguyên tắc chiết 25 Hình 2.7 Biểu diễn phương trình cân vật liệu 26 Hình 2.8 Biểu diễn trình chiết bậc .28 Hình 2.9 Biểu diễn qua trình chiết bậc .30 Hình 2.10 Sơ đồ chiết nhiều bậc chéo dòng 30 Hình 2.11 Biểu diễn trình chiết nhiều bậc chéo dòng .31 Hình 2.12 Biểu dễn q trình chiết nhiều bậc chéo dịng 32 Hình 2.13 Sơ đồ nguyên tắc chiết nhiều bậc ngược chiều .33 Hình 2.14 Đồ thị tam giác 36 Hình 2.15 Đồ thị tam giác với đường cong cân (bimodal) .37 Hình 2.16 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình chiết 38 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên tắc chiết nhiều bậc ngược chiều [51] 38 Hình 2.18 Biểu diễn trình chiết nhiều bậc ngược chiều 40 Hình 2.19 Cách xác định số bậc lý thuyết đồ thị Y-X .42 Hình 3.1 Mô tả công nghệ chiết ngược chiều lỏng – lỏng bước liên tục 43 Hình 3.2 Máy ICP-OES AVIO 200 (tại Trung tâm nghiên cứu phát triển Hóa chất Đức Giang, Hà Nội) 49 Hình 3.3 Máy ICP-OES PerkinElmer Optima 2000DV 50 Hình 3.4 Máy đo độ nhớt NDJ-1 50 Hình 4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ lên hiệu suất chiết (%E) 51 Hình 4.2 Độ nhớt động lực axit Phosphoric 50% theo nhiệt độ .52 Hình 4.3 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc pha lên nhiệt độ hỗn hợp chiết 52 Hình 4.4 Ảnh hưởng thời gian khuấy lên hiệu suất chiết (%E) 53 Hình 4.5 Ảnh hưởng tỉ lệ pha O/A lên hiệu suất chiết (%E) .54 Hình 4.6 Bậc chiết lý thuyết .55 Hình 4.7 Sơ đồ pha với dung môi chiết hữu khác [52] 56 Hình 4.8 Bậc rửa lý thuyết .58 Hình 4.9 Bậc tái chiết lý thuyết 59 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 viii Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức ̇ ) Nhiệt lượng dịng dung mơi (𝑄𝑆̇ ), dịng WPA (𝑄𝐹̇ ) nước (𝑄𝑆𝑇1 nhiệt lượng dòng Raffinate (𝑄𝑅̇ ), dịng dung mơi – axit (𝑄𝐸̇ ), dịng nước ngưng ̇ ) mát (𝑄𝐿̇ ) (𝑄𝑆𝐶1 Phương trình cân nhiệt: Trong đó: Thay số: ̇ 𝐺𝑆𝐶1 𝑜 𝑇𝑆𝐶 𝐶𝑆𝐶 ̇ = 𝑄𝑅̇ + 𝑄𝐸̇ + 𝑄𝐿1 ̇ + 𝑄𝑆𝐶1 ̇ 𝑄𝑆̇ + 𝑄𝐹̇ + 𝑄𝑆𝑇1 Nhiệt độ dịng dung mơi vào tháp Nhiệt độ dòng WPA vào tháp Lưu lượng dòng nước gia nhiệt Ẩn nhiệt hóa hơi nước bão hịa 1at Nhiệt độ dòng raffinate khỏi tháp Nhiệt độ dịng trích khỏi tháp Dịng nhiệt mát mơi trường xung quanh Lưu lượng dịng nước ngưng sau gia nhiệt Nhiệt độ dòng nước ngưng Nhiệt dung riêng nước ngưng 𝑄𝑆̇ 𝑄𝐹̇ ̇ 𝑄𝑆𝑇1 𝑄𝑅̇ 𝑄𝐸̇ ̇ 𝑄𝐿1 ̇ 𝑄𝑆𝐶1 = = = = = = = 𝑇𝑆𝑜 𝑇𝐹𝑜 ̇ 𝐺𝑆𝑇1 𝑟𝑆𝑇1 𝑇𝑅𝑜 𝑇𝐸𝑜 ̇ 𝑄𝐿1 𝐺𝑆̇ 𝐶𝑆 𝑇𝑆𝑜 𝐺𝐹̇ 𝐶𝐹 𝑇𝐹𝑜 ̇ 𝑟𝑆𝑇1 𝐺𝑆𝑇1 𝐺𝑅̇ 𝐶𝑅 𝑇𝑅𝑜 𝐺𝐸̇ 𝐶𝐸 𝑇𝐸𝑜 0,05(𝑄𝑅̇ +𝑄𝐸̇ ) 𝑜 ̇ 𝐶𝑆𝐶 𝑇𝑆𝐶 𝐺𝑆𝐶1 , oC , oC , kg/h , kJ/kg , oC , oC , kJ/h , kg/h , oC , kJ/kg oC = 2488.1,96.50 = 243824 = 622.2,45.50 = 76195 ̇ 2270 = 𝐺𝑆𝑇1 , kJ/h , kJ/h , kJ/h = 255.3,28.50 = 41820 , kJ/h = 2855.1,94.50 = 276935 , kJ/h = 0,05.( 41820 + 276935) =15937,8 , kJ/h ̇ 4,2.100 , kJ/h =𝐺𝑆𝑇1 ̇ = 7,93 (kg/h) Vậy 𝐺𝑆𝑇1 Tóm tắt số liệu dòng vật chất dòng lượng: Bảng 5.7 Số liệu dòng vật chất dòng lượng vào, tháp chiết Dung mơi WPA Pha trích Raffinate Hơi nước Nước ngưng HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 2.488 622 2.855 255 7,93 7,93 243.824,0 76.195,0 276.935,0 41.820,0 18.001,1 3.330,6 69 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức 5.3.3 Đường kính khoang khuấy (đường kính tháp) Dung lượng tháp Kühni v = 12 m3/m2.h [59] Lưu lượng thể tích dịng phân tán (dòng WPA) dòng liên tục (TBP/Kerosen): V̇ = GḞ GṠ 622 2488 + = + = 3,16 (m3 /h) ρF ρS 1729 889 Diện tích mặt cắt ngang tháp ST: ST = V̇ 3,16 = = 0,263 (m2 ) v 12 Đường kính tháp DT: DT = √ × St × 0,263 =√ = 0,58 (m) 3,14 3,14 Chọn DT = 0,6 (m), v = 11,2 (m3/m2.h) 5.3.4 Đường kính ngồi cánh khuấy Đường kính cánh khuấy Di quy mơ bán cơng nghiệp 0,3 - 0,7DT [59] Chọn Di = 0,65 DT = 0,65.0,6 = 0,39 (m) 5.3.5 Diện tích trống tĩnh (Free area) Diện tích tự (SFA) thường 30 - 40% diện tích mặt cắt ngang tháp (ST) [52] Chọn SFA = 0,32ST Với S = 3,14 × 0,25 × D2t = 3,14 × 0,25 × 0,62 = 0,2826 (m2 ) Vậy SFA = 0,32x0,2826 = 0,09 (m2) Chọn đường kính lỗ tâm 250 mm, lỗ phân bố đĩa tĩnh có đường kính 22 mm Vậy số lỗ phân bố đĩa tĩnh N: SFA − 3,14 × 0,25 × 0,252 0,09 − 0,05 N= = = 108 (lỗ) 3,14 × 0,25 × 0,022 3,799 × 10−4 5.3.6 Chiều cao khoang khuấy Chiều cao khoang khuấy (HC) khoảng cách hai đĩa tĩnh Chiều cao khoang khuấy 0,2DT đến 0,3DT [59] Chọn HC = 0,25DT = 0,25.0,6 = 0,15 (m) HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 70 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức 5.3.7 Chiều cao tháp Số bậc thực tế NF tháp Kühni NF = NT ξ Với 𝜉 = 0,1; NT = 5; ta có: NF = = 50 (bậc) 0,1 Để đảm bảo hiệu suất thực tế tháp đạt hiệu suất tính tốn, ta lấy tăng thêm 20% số bậc thực tế N′F = 50 × 1,2 = 60 (bậc) Tính chiều cao tháp Chiều cao ngăn là: h = 0,25.D = 150 mm Chiều cao vùng làm việc tháp là: H  N tt h  60.150  9000 (mm) Chọn bề dày đĩa mm Chọn chiều cao từ bậc cao đến đỉnh thiết bị 1500 (mm) Chọn chiều cao từ bậc thấp đến đáy thiết bị 1000 (mm)  Chọn tổng chiều cao tháp 12000 (mm) 5.3.8 Đường kính ống dẫn dung dịch vào – khỏi tháp  Đường kính ống dẫn dung mơi vào thiết bị D1E = √ Trong đó: GṠ 4GṠ 3,14 × ρS × vS × 3600 : lưu lượng khối lượng dịng dung mơi, GṠ = 2488 kg/h ρS : khối lượng riêng dung môi, ρS = 889 kg/m3 vS : vận tốc dung môi ống, v = 1,5 m/s Thay số: D1E = √ × 2488 = 0,026 (m) 3,14 × 889 × 1,5 × 3600  Chọn kích thước ống dẫn dung mơi vào thiết bị DN25x3 (ø33,4x3)  Đường kính ống dẫn dung dịch trích khỏi thiết bị HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 71 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức 𝐷2𝐸 = √ 4𝐺𝐸̇ 3,14 × 𝜌𝑆𝐴1 × 𝑣𝑆𝐴1 × 3600 Trong đó: GĖ : lưu lượng khối lượng dịng dd trích, GĖ = 2855 kg/h ρE : khối lượng riêng dung dịch trích ρE = 942 kg/m3 vE : vận tốc dung dịch trích ống, vE = 1,6 m/s Thay số: D2E = √ × 2855 = 0,026 (m) 3,14 × 942 × 1,6 × 3600  Chọn kích thước ống dẫn dung dịch trích khỏi thiết bị DN25x3 (ø33,4x3)  Đường kính ống dẫn WPA vào tháp 𝐷3 = √ Trong đó: 𝐺𝐹̇ 4𝐺𝐹̇ 3,14 × 𝜌𝐹 × 𝑣𝐹 × 3600 : lưu lượng khối lượng dịng WPA, 𝐺𝐹̇ = 622 kg/h ρF : khối lượng riêng WPA, ρF = 1729 kg/m3 vF : vận tốc dòng WPA ống, vF = 0,19 m/s Thay số: 𝐷3𝐸 = √ × 684 = 0,026 (𝑚) 3,14 × 1729 × 0,19 × 3600  Chọn kích thước ống dẫn WPA vào tháp DN25x3 (ø33,4x3)  Đường kính ống dẫn cặn chiết (raffinate) khỏi tháp D4E = √ Trong đó: 𝐺𝑅̇ 4GṘ 3,14 × ρR × vR × 3600 : lưu lượng khối lượng dòng raffinate, 𝐺𝑅̇ = 255 kg/h ρR : khối lượng riêng raffinate, ρR = 1526 kg/m3 vR : vận tốc raffinate ống, vR = 0,14 m/s Thay số: HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 72 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức D4E = √ × 281 = 0,02 (m) 3,14 × 1526 × 0,14 × 3600  Chọn kích thước ống dẫn cặn chiết khỏi tháp DN20x2,77 (ø26,7x2,77)  Đường kính ống dẫn nước bão hòa vào vỏ tháp D5E = √ ̇ 4GST1 3,14 × ρST1 × vST1 × 3600 ̇ Trong đó: 𝐺𝑆𝑇1 : lưu lượng khối lượng dịng bão hòa ̇ = 7,93 kg/h 𝐺𝑆𝑇1 ρST1 : khối lượng riêng dòng bão hòa ρST = 0,59 kg/m3 vST1 : vận tốc nước bão hòa ống vST = 12 m/s Thay số: D5E = √ × 7,93 = 0,02 (m) 3,14 × 0,59 × 12 × 3600  Chọn kích thước ống dẫn bão hịa vào vỏ tháp DN20x2,77 (ø26,7x2,77)  Đường kính ống dẫn nước ngưng 𝐷6𝐸 = √ ̇ 4𝐺𝑆𝑇1 3,14 × 𝜌𝑆𝐶 × 𝑣𝑆𝐶 × 3600 ̇ Trong đó: GST1 : lưu lượng khối lượng dòng nước ngưng ̇ = 7,93 kg/h GST1 ρSC1 : khối lượng riêng dòng nước ngưng ρSC1 =958 kg/m3 vSC1 : vận tốc nước ngưng ống vSC1 = 0,007 m/s Thay số: 𝐷6𝐸 = √ × 7,93 = 0,02 (𝑚)(𝐷𝑁20) 3,14 × 958 × 0,007 × 3600  Chọn kích thước ống dẫn nước ngưng khỏi vỏ: DN20x2,77 (ø26,7x2,77) HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 73 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức Hình 5.6 Mơ tả hình dạng khoang khuấy thiết bị chiết HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 74 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức CHƯƠNG KẾT LUẬN 6.1 Những kết luận 6.1.1 Nghiên cứu tính tốn thiết kế sở cơng nghệ tinh chế axit Phosphoric trích ly phương pháp chiết dung mơi Quy trình cơng nghệ chiết ngược chiều mô tả chi tiết mục 4.2, kèm Sơ đồ P&ID đính kèm Phụ lục Đồng thời, qua thí nghiệm, đánh giá phân tích số liệu chọn thơng số tối ưu cho trình chiết lỏng – lỏng axit Phosphoric trích ly thành axit thực phẩm sau: - Nhiệt độ trình chiết: 50oC; - Nhiệt solvat hóa khơng có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ hỗn hợp chiết, khơng có ảnh hưởng rõ rệt đến q trình chiết, bỏ qua; - Thời gian khuấy tối ưu trình chiết bậc: 60s; - Tỉ lệ thành phần pha hữu cơ/ pha nước (O/A) tối ưu 5:1 Các tính tốn sơ cho tháp chiết phân đoạn tháp chiết hồn thiện, trình bày phần 4.3 mô tả vẽ kèm theo 6.1.2 Số bậc chiết lý thuyết ứng với công nghệ lựa chọn Số bậc lý thuyết hiệu suất trình thể Bảng sau: Bảng 6.1 Số bậc lý thuyết hiệu suất trình Số bậc lý thuyết Hiệu suất trình (%) Chiết Rửa Tái chiết 77,7 88,7 6.2 Đóng góp mới, kiến nghị Việc tinh chế axit Phosphoric trích ly thành axit Phosphoric thực phẩm có ý nghĩa cơng nghiệp mặt kinh tế, bảo vệ môi trường, không tiết kiệm lượng, công nghệ giúp thu hồi cấu tử quý, vừa tăng giá trị kinh tế, lại giảm phát thải mơi trường Do nghiên cứu nên phát triển thêm, để nâng cao hiệu suất chất lượng, sớm đưa vào sản xuất quy mô lớn HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 75 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Becker, Phosphate and Phosphoric Acid: Raw material, Technology, and Economics of the Wet Process, New York: Marcel Dekker, Inc., 1989 [2] Patrick Heffer, and Michel Prud’homme, "Fertilizer Outlook 2015–2019," in 83rd IFA Annual Conference, Istanbul (Turkey), 25-27 May 2015 [3] Patrick Heffer, and Michel Prud’homme, "Fertilizer Outlook 2016–2020," in 84th IFA Annual Conference, Moscow (Russia), 30 May-1 June 2016 [4] Patrick Heffer, and Michel Prud’homme, "Fertilizer Outlook 2017–2021," in 85th IFA Annual Conference, Marrakech (Morocco), 22-24 May 2017 [5] Patrick Heffer, and Michel Prud’homme, "Fertilizer Outlook 2018–2022," in 86th IFA Annual Conference, Berlin (Germany), 18-20 June 2018 [6] F R Center, "Worldwide Market Information on Fertilizers," FERTECON, 2011 [7] Quyết định số 1621/QĐ-TTg Phê duyệt "Quy hoạch phát triển ngành cơng nghiệp hóa chất Việt Nam đến năm 2020, có tính đến năm 2030" [8] “Cơng ty cổ phần DAP - VINACHEM,” Công ty cổ phần DAP - VINACHEM, [Trực tuyến] Available: http://www.dap-vinachem.com.vn/vi/# [Đã truy cập 14 February 2019] [9] “DGC,” Cơng ty CP Bột giặt Hóa chất Đức Giang, [Trực tuyến] Available: http://ducgiangchem.vn/axit-sunfuric-wpa.html [Đã truy cập 14 February 2019] [10] A Arlow, Crystallisation aspects of the wet-process phosphoric acid industry, Doctoral dissertation, University of Pretoria, 2003 [11] EFMA (European Fertilizer Manufacturers’ Association), Best Available Techniques for Pollution Prevention and Control in the European Fertilizer Industry Booklet No of 8: Production of phosphoric acid, Fisherprint Ltd, Peterborough, England, 2000 [12] EUROPEAN COMMISSION, Large Volume Inorganic Chemicals - Ammonia, Acids and Fertilisers, August 2007 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 76 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức [13] Laila A Guirguis; Nagwa I Falila; Lele H Khalil, "One Stage Solvent Extraction Synergism for the Purification of Industrial Wet Process Phosphoric Acid to the Food Grade Quality," International Journal of Advanced Research, vol 4, no 4, pp 1554-1564, 2016 [14] J J Machorro; J C Olvera; A Larios; H M Hernández-Hernández; M E Alcantara-Garduño; and G Orozco, "Electrodialysis of Phosphates in Industrial-Grade Phosphoric acid," ISRN Electrochemistry, vol 2013, 2013 [15] D Touaibia; H Kerdjoudj; A T Cherif, "Concentration and purification of wet industrial phosphoric acid by electro-electrodialysis," Journal of applied electrochemistry, vol 26, pp 1071-1073, 1996 [16] A.T.Cherif; C.Gavach; T.Cohen; P.Dagard; L.Albert, "Sulfuric acid concentration with an electro-electrodialysis process," Hydrometallurgy, vol 21, no 2, pp 191-201, 1988 [17] M.P González; R Navarro; I Saucedo; M Avila; J Revilla; and Ch Bouchard, "Purification of phosphoric acid solutions by reverse osmosis and nanofiltration," Desalination, vol 47, pp 315-320, 2002 [18] G Michael Lloyd Jr., J Patrick Zhang, Steven G.Richardson, Brian K.Birky, "Decreasing iron content in wet-process phosphoric acid," University of Florida, Gainesville, 2001 [19] H J Clausen, A Beach and Fla, "Process for partial removing of impurities from a wet process phosphoric acid" United States of America Patent 4.493.820, 15 January 1985 [20] D H Michalski and V Srinivasan, "Process of removing cationic impurities from wet process phosphoric acid" United States of America Patent 4.639.359, 27 January 1987 [21] Tập đồn hóa chất Việt Nam, Tập đồn hóa chất Việt Nam, [Trực tuyến] Available: http://www.vinachem.com.vn/xuat-ban-pham/so-4-2005vnc/c1753.html [Đã truy cập 12 02 2019] [22] T L Treitler, Millburn and a D S Bunin, "Phosphoric acid purification" United States of America Patent 3.379.501, 23 April 1968 [23] Frazier, A.W.; Waerstad, K.R.; Kim, Y.R.; and Crim, B.G, "Phase System Fe2O3-K2O-P2O5-H2O at 25oC," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol 28, no 2, pp 225-230, 1989 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 77 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức [24] K Nazari, A Ghadiri, and H Babaie, "Elimination of cadmium from wet process phosphoric acid with Alamine 336," Minerals engineering, vol 18, no 13-14, pp 1233-1238, 2005 [25] M I El-Khaiary, "Extraction of Al (III) from phosphoric acid by HDDNSA," Separation and Purification Technology, vol 12, pp 13-16, 1997 [26] M O Corapcioglu, and C P Huang, "The adsorption of heavy metals onto hydrous activated carbon," Water Research, vol 21, no 9, pp 1031-1044, September 1987 [27] Lotfi Monser, Mohamed Ben Amor, Mohamed Ksibi, "Purification of wet phosphoric acid using modified activated carbon," Chemical Engineering and Processing, vol 38, pp 267-271, 1999 [28] A.A.M Daifullah, N.S Awwad, S.A El-Reefy, "Purification of wet phosphoric acid from ferric ions using modified rice husk," Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, vol 43, no 2, pp 193-201, February 2004 [29] Jing Yu, Daijun Liu, "Extraction of magnesium from phosphoric acid using dinonylnaphthalene sulfonic acid," Chemical Engineering Research and Design, vol 88, no 5-6, pp 712-717, May-Jun 2010 [30] M.I Amin, M.M Ali, H.M Kamal, A.M Youssef, M.A Akl, "Recovery of high grade phosphoric acid from wet process acid by solvent extraction with aliphatic alcohols," Hydrometallurgy, vol 105, no 1-2, pp 115-119, December 2010 [31] Hannachi Ahmed, Habaili Diamonta, Chtara Chaker, Ratel Abdelhamid, "Purification of wet process phosphoric acid by solvent extraction with TBP and MIBK mixtures," Separation and Purification Technology, vol 55, no 2, pp 212-216, 15 June 2007 [32] A H de Rooij and J Elmendorp, "Process for recovering phosphoric acid from aqueous solutions containing nitric acid and phosphoric acid" United States of America Patent 3.363.978, 16 January 1968 [33] S Toshio, K Mitsuo and a S Hiroshi, "Process for refining phosphoric acid preparations" United States of America Patent 3.297.401, 10 January 1967 [34] K Beltz, K Frankenfeld and K Götzmann, "Process for the extractive purification of phosphoric acid containing cationic impurities" United States of America Patent 4.018.869, 19 April 1977 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 78 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức [35] K Beltz and K Frankenfeld, "Process for separating a phosphoric acid-solvent solution" United States of America Patent 4.117.092, 26 September 1978 [36] J C Dore, D P Brochu and R E Hall, "Process for purifying phosphoric acid" United States of America Patent 4.780.295, 25 October 1988 [37] N K Khanna, "Manufacture of sodium tripolyphosphate from wet acid" United States of America Patent 4.676.963, 30 June 1987 [38] A V Slack, (Ed.) Phosphoric Acid, Part 2, vol 1, New York: Marcel Dekker, 1968 [39] Pavonet and E Wilhelm, "Method for purifying phosphoric acid" United States of America Patent 3.970.741, 20 July 1976 [40] R Champ, M Martin and L Winand, "Purificatiion of phosphoric acid derived from phosphate rock" United States of America Patent 3.397.955, 20 August 1968 [41] J R Goret and L M Winand, "Continuous process for solvent purification of phosphoric acid" United States of America Patent 3.607.029, 21 September 1971 [42] L Winand and J Goret, "Extraction of phosphoric acid at saline solutions state" United States of America Patent 3.767.769, 27 November 1968 [43] E L Koerner and S Elerington, "Purifying phosphoric acid using an amine extractant" United States of America Patent 3.367.749, February 1968 [44] R A Ruehrwein, "Purification of phosphoric acid" United States of America Patent 2.955.918, 11 October 1960 [45] J Ernest L Koerner, "Purifying phosphoric acid" United States of America Patent 3.479.139, 18 November 1969 [46] E K Drechsel and J B Sardisco, "Method of producing fluoride-free phosphoric acid" United States of America Patent 4.055.626, 25 October 1977 [47] R Amanrich; G Cousserans; and A Mahe, "The “Apex” process for the extraction of phosphoric acid for the production of phosphatic fertilizers and industrial phosphates," in ISME Technical Conference, Sandefjord, Norway, 1970 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 79 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức [48] J Bergdorf and R Fischer, "Extractive phosphoric acid purification," Chemical Engineering Progress, vol 74, no 11, pp 41-45, 1978 [49] F L Prado, "Food grade phosphoric acid in Turkey," in American Institute of Chemical Engineers, Central Florida Section, Annual Meeting, Central Florida Section, Annual Meeting, Clearwater Beach, FL, 2007 [50] "MEAB," MEAB, Datavägen 51, 436 32 Askim, Sweden, [Online] Available: www.meab-mx.se/pdf/The_SAEC_process.pdf [Accessed 23 2019] [51] Nguyễn Bin, Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2008 [52] R Gilmour, Phosphoric Acid Purification, Uses, Technology, and Economics, Boca Raton: CRC Press, 2014 [53] Moussa Alibrahim, "Extraction of phosphoric acid from various aqueous solutions using tributyl phosphate (TBP)," Chemical Engineering, vol 51, no 1, pp 39-42, 2007 [54] Laila A Guirguis, Hisham K Fouad and Fatma A Salem, “Purification of phosphoric acid by mixture of hydrophilic and hydrophobic extractants,” Sohn Internal, Syrpoin, Advanced processing of metals and materials, 2006 [55] Mohamedalkhaled Abdulbake, Omar Shino, "Synergistic effect of alcohols on the extraction of H3PO4 from Syrian wet phosphoric acid by TBP," Chemical Engineering, vol 51, no 1, pp 3-6, 2007 [56] Robert E Treybal, Liquid extraction (Second Edition), New York: McGraw‐ Hill, 1963 [57] Purified Phosphoric acid H3PO4 Technical Information Bulletin, PotashCorp [58] Don W Green; Robert H Perry, Perry's Chemical Engineers' Handbook 8th Edition, New York: McGraw-Hill, 2008 [59] Gavin Towler; Ray Sinnott, Chemical Engineering Design, Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design, Second Edition, Waltham: Elsevier, 2013 [60] K e al, "Process for making phosphorus pentoxide and optionally phosphoric acid with utilization of the reaction heat" U.S Patent 4603039, 29 June 1986 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 80 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức [61] Zhu S.L and Luo G.S., "Hydrodynamic and mass transfer performance of multiple upcomer extraction trays," in International Solvent Extraction Conference 1996 (ISEC'96), Melbourne, 1996 [62] Iacob, L & Koncsag, C.I., "Hydrodynamic Study of the Drops Formation and Motion in a Spray Tower for the Systems Gasoline –NaOH Solutions," in XIth Romanian International Conference On Chemistry and Chemical Engineering (RICCCE XI), Section: Chemical Engineering, Bucureşti, 1999 [63] Seibert, A.F., and Fair, J.R., "Hydrodynamics and mass transfer in spray and packed liquid-liquid extraction columns," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol 27, no 3, pp 470-481, 1988 [64] Claudia Irina Koncsag, and Alina Barbulescu, "Liquid-Liquid Extraction with and without a Chemical Reaction," in Mass Transfer in Multiphase Systems and its Applications, InTech, 2011, pp 207-232 [65] Thornton, J.D., "Spray Liquid-Liquid Extraction Columns: Prediction of Limiting Holdup and Flooding Rates," Chemical Engineering Science, vol 5, no 5, pp 201-208, 1956 [66] H C., Recent Advances in Liquid–Liquid Extraction, Pergamon-Elsevier, 1971 [67] T C Frank, "Section 15 Liquid-Liquid Extraction and Other Liquid-Liquid Operations and Equipment," in Perry’s chemical engineers’ handbook 8th edition, New York, McGraw-Hill, 2008, pp 15(1)-15(105) [68] T Misek, "Chapter General Hydrodynamic Design Basis for Columns," in Liquid– Liquid Extraction Equipment, New York, John Wiley &Son, 1994 HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 81 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Tạ Hồng Đức PHỤ LỤC Phụ lục 1: Sơ đồ P&ID công nghệ chiết ngược chiều tinh chế axit Phosphoric HVTH: Bùi Quang Tuấn – MSHV: CA170299 82 VALVE SYMBOLS/ KÝ HIỆU VAN LINE INDICATION/ BIỂU THỊ ĐƯỜNG ỐNG PIPING CODING SYSTEM/ KÝ HIỆU ĐƯỜNG ỐNG FLUID INDICATION/ KÝ HIỆU MÔI CHẤT Fluid/ Môi chất WPA Wet Phosphoric acid/ Axit Photphoric ướt SO Solvent/ Dung môi SW Storm Water/ Nước rửa ST Steam/ Hơi nước RA Rafinate/ Rafinat SC Steam Condensate/ Nước ngưng AC Acid/ Axit sản phẩm IA Industrial acid/ Axit công nghiệp GENERAL INSTRUMENT OR FUNCTION SYMBOL TYPICAL LETTER COMBINATIONS/ Ý NGHĨA CÁC KÍ HIỆU RA ... phạm vi nghiên cứu luận văn, tác giả xin trình bày nội dung đề tài ? ?Nghiên cứu thực nghiệm tinh chế axit Phosphoric trích ly dung môi Tributyl phosphate (TBP)? ?? với mục tiêu: - Nghiên cứu tính... Do cần nghiên cứu, xây dựng đưa nhà máy tinh chế axit Phosphoric trích ly vào hoạt động để đáp ứng nhu cầu axit Phosphoric cho thị trường nước Tinh chế axit Phosphoric trích ly thành axit Phosphoric. .. nhu cầu nước, tác giả tiến hành thực luận văn với đề tài ? ?Nghiên cứu thực nghiệm tinh chế axit Phosphoric trích ly dung mơi Tributyl phosphate (TBP)? ?? Q trình tinh chế gồm ba giai đoạn: giai đoạn