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 ... 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