Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính toán và mô hình hóa thiết bị phản ứng trong dây chuyền sản xuất DAP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Quang Thành ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Quang Thành ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VŨ HỒNG THÁI Hà Nội – 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Quang Thành Đề tài luận văn: Nghiên cứu, tính tốn mơ hình hóa thiết bị phản ứng dây chuyền sản xuất DAP Chuyên ngành: Máy thiết bị hóa chất – dầu khí Mã số SV: CB140075 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 14/10/2017 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lại lỗi tả - Chỉnh sửa lại cách ghi tài liệu tham khảo - Chỉnh sửa lại công thức số (1.24) cho Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần ngày 11/11/2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nên Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Trừ phần tham khảo nêu rõ Luận văn Tác giả Nguyễn Quang Thành - LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực Luận văn này, em nhận nhiều giúp đỡ hỗ trợ thầy cô, bạn bè gia đình Luận văn thực hồn thành Bộ mơn Máy Thiết bị Cơng nghiệp Hóa chất, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Vũ Hồng Thái người định hướng, trực tiếp hướng dẫn, bảo, khuyến khích, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp tác giả hồn thành luận văn Thầy khơng người thầy, mà nhà khoa học, đồng nghiệp mà tác giả suốt đời biết ơn ngưỡng mộ Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô môn Máy Thiết bị Cơng nghiệp Hóa chất, tồn thể bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ suốt thời gian làm luận văn Hà Nội, Tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Quang Thành Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái MỤC LỤC MỞ ĐẦU DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN DAP 1.1 Định nghĩa phân bón 1.2 Sơ lược phân bón DAP .9 1.2.1 Định nghĩa .9 1.2.2 Cơng dụng 10 1.2.3 Nguyên liệu sản xuất 10 1.2.4 Cơ sở hóa học 11 1.3 Công nghệ sản xuất DAP giới 12 1.3.1 Các q trình cơng nghệ sản xuất DAP .12 1.3.2 Các cơng đoạn sản xuất DAP 12 CHƯƠNG 14 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 14 2.1 Phân loại phản ứng hóa học 14 2.2 Khái niệm thiết bị phản ứng 15 2.2.1 Thiết bị phản ứng 15 2.2.2 Vận tốc phản ứng 15 2.2.3 Độ chuyển hóa chất i 15 2.2.4 Độ chọn lọc sản phẩm i 16 2.2.5 Điều kiện phản ứng .16 2.2.6 Phân loại TBPƯ 17 2.2.7 Ứng dụng mơ hình thiết bị phản ứng nhà máy sản xuất phân bón 21 2.3 Mô tả khái quát thiết bị phản ứng tiền trung hòa phản ứng ống 21 2.3.1 Giới thiệu chung dây chuyền sản xuất DAP 21 2.3.2 Mô tả khái quát thiết bị phản ứng tiền trung hòa thiết bị phản ứng ống 24 CHƯƠNG .28 HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TIỀN TRUNG HÒA VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ỐNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP .28 3.1 Cân nhiệt cho thiết bị phản ứng 28 3.2 Xác định kích thước thiết bị phản ứng 31 3.3 Tính bền cho thiết bị phản ứng .38 3.4 Tính toán chi tiết, phụ kiện thiết bị phản ứng 41 CHƯƠNG KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC TÍNH TỐN CHO MỘT TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP CÔNG SUẤT 330.000 TẤN/ NĂM .49 PHỤ LỤC MƠ HÌNH HÓA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 74 HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái MỞ ĐẦU Việt Nam có diện tích tự nhiên 331.128 km2, nằm khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa Các điều kiện tự nhiên thuận lợi với nguồn nhân lực dồi sở ngành nơng nghiệp Việt Nam phát triển Ngành phân bón có vai trị quan trọng cho nơng nghiệp, thực tế Việt Nam có nhiều nhà máy phân bón NPK, Phân lân nung chảy, supe, đạm, DAP, phân bón DAP có giá trị quan trọng có giá trị dinh dường cao mà việt nam chưa khai thác hết tiềm Thiết bị phản ứng nhà máy DAP có giá trị quan trọng dây chuyền thiết bị DAP, định đến suất chất lượng sản phẩm Các thiết bị phản ứng thực tế nhà máy không chế tạo mà lựa chọn hãng cung cấp Việc nghiên cứu tính tốn thiết bị để đảm bảo cho việc lựa chọn nhà cung cấp phù hợp điều chỉnh trình vận hành để nhà máy hoạt động tốt Sau thời gian nghiên cứu nỗ lực hướng dẫn tận tình nghiêm khắc thầy T.S Vũ Hồng Thái tồn thầy giáo mơn Máy Thiết Bị Cơng Nghiệp Hóa Chất Dầu Khí-Viện Kỹ Thuật Hóa Học Và đặc biệt động viên, giúp đỡ thầy Vũ Hồng Thái tiếp thêm cho em động lực để hoàn thành tốt luận văn Luận văn cịn nhiều thiếu sót, em mong nhận góp ý, phê bình thầy hội đồng bạn bè lớp để em rút kinh nghiệm quý báu phục vụ cho trình làm việc sau Một lần em xin chân thành cản ơn thầy cô bạn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Hà Nội, Ngày tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Quang Thành HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị Ri Vận tốc phản ứng chuyển hoá chất i Xi Độ chuyển hóa chất i Ci0 Nồng độ chất phản ứng i vào mol/l Ci1 Nồng độ chất phản ứng i mol/l Si Độ chọn lọc với sản phẩm i Ci Nồng độ sản phẩm i hỗn hợp phản ứng tTB Thời gian lưu trung bình VR Thể tích TBPƯ FV Lưu lượng dòng m3/h 10 QA Nhiệt lượng truyền cho chất A kJ/h 11 Qc Nhiệt lượng cần cấp cho lưu thể vào kJ/h 12 tA Nhiệt độ môi chất A vào K 13 tpu Nhiệt độ phản ứng K 14 CA Nhiệt dung riêng môi chất A 15 Qe Nhiệt lượng tổn thất môi trường kJ/h 16 Qt Nhiệt lượng tỏa kJ/h 17 mi Khối lượng NH3 tiêu tốn cho phản ứng i kg/h 18 Δhi Hiệu ứng nhiệt phản ứng i 19 Qgn Nhiệt lượng cần cấp thêm kJ/h 20 QLP Nhiệt lượng thấp áp kJ/h 21 CLP Nhiệt dung riêng thấp áp kJ/Kg.độ 22 tLP Nhiệt độ hơi thấp áp vào K 23 Mv Tổng khối lượng môi chất vào kg/h 24 Mr Tổng khối lượng môi chất kg/h 25 Ml Tổng khối lượng lưu thiết bị kg/h HVTH: Nguyễn Quang Thành mol/l.s mol/l h m3 kJ/Kg.độ kJ/kgNH3 Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị 26 MA Khối lượng môi chất A vào kg/h 27 MNH3k Khối lượng NH3 vào dạng khí kg/h 28 MNH3l Khối lượng NH3 vào dạng lỏng kg/h 29 Mdsr Khối lượng dịch sau rửa trừ H3PO4 H2SO4 kg/h 30 Mnc Khối lượng nước công nghệ vào kg/h 31 MTGS Nước từ tháp rửa đến kg/h 32 Mpb Khối lượng dịch phá bọt kg/h 33 MLP Khối lượng thấp áp kg/h 34 Mbra Tổng khối lượng bùn kg/h 35 Mkra Tổng khối lượng khí kg/h 36 ρ Khối lượng riêng trung bình lưu thể vào kg/m3 37 V′ Lưu lượng thể tích lưu thể m3/h 38 τi Thời gian phản ứng (i) diễn h 39 ki Hằng số tốc độ phản ứng phản ứng (i) 40 ui Độ chuyển hóa phản ứng (i) 41 τ Thời gian lưu h 42 τct Thời gian chuyển tiếp h 43 τn Thời gian nạp h 44 τod Thời gian ổn định h 45 τth Thời gian tháo h 46 VR Thể tích thiết bị m3 47 z Năng suất dự trữ 48 ϕ Hệ số chứa 49 MMP Khối lượng trung áp vào 50 Vđpu Thể tích đầu thiết bị phản ứng m3 51 D Đường kính đoạn thiết bị m 52 L Chiều dài đoạn thiết bị m 53 S Chiều dày thiết bị m HVTH: Nguyễn Quang Thành 1/h mol/l kg/h Trang Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành GVHD : TS Vũ Hồng Thái Trang 85 Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành GVHD : TS Vũ Hồng Thái Trang 86 Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành GVHD : TS Vũ Hồng Thái Trang 87 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái 5- Phản ứng khuấy lý tưởng HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 88 Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành GVHD : TS Vũ Hồng Thái Trang 89 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái 6- Thiết bị khuấy lý tưởng HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 90 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái 7- Phản ứng đẩy lý tưởng (phản ứng ống) HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 91 Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành GVHD : TS Vũ Hồng Thái Trang 92 Luận văn tốt nghiệp HVTH: Nguyễn Quang Thành GVHD : TS Vũ Hồng Thái Trang 93 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái –Thiết bị đẩy lý tưởng HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 94 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái –Chạy chương trình aspen Stream Name Description From To Stream Class Maximum Relative Error Cost Flow MIXED Substream Phase Temperature Pressure Molar Vapor Fraction Molar Liquid Fraction Molar Solid Fraction Mass Vapor Fraction Mass Liquid Fraction Mass Solid Fraction Molar Enthalpy Mass Enthalpy Molar Entropy Mass Entropy Molar Density Mass Density Enthalpy Flow Average MW Mole Flows H2O NH3 CO2 Units BUNRA KHIRA FLASH FLASH H2O H2O1 H2SO4 H2SO4L Material H3PO4 H3PO4L HOILP CONVEN CONVEN TTH TRON TRON TTH TRON TTH TTH CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN Mixed 135 1,01325 0,969273 0,0307269 0,952731 0,0472694 -211818 -2611,93 157,585 1,94318 0,0131168 1,06373 -4,53E+07 81,0964 770,3833447 197,696 2,58565 Vapor 135 1,01325 0 0 -47697,4 -2676,1 -9,60612 -0,538959 3,00E-05 0,000534887 -5,03E+07 17,8235 3073,477109 3052,3 21,13 Liquid 38 0 -68035,5 -3776,54 -38,229 -2,12203 0,0551327 0,99323 -6,04E+07 18,0153 3196 3196 0 HOITA MIXOUT NH3K TRON CONVEN TRON TBDAY CONVEN TBDAY TTH TTH TRON CONVEN CONVEN CONVEN CONVEN Vapor 184 10,96 0 0 -56576,2 -3140,46 -12,0221 -0,66733 0,000302356 0,00544703 -1,74E+06 18,0153 111 111 0 Mixed 50,7305 0,150454 0,849546 0,0554454 0,944555 -127436 -2756,74 57,0733 1,23463 0,000969604 0,0448218 -6,24E+07 46,2269 1763 388 744 Liquid 12 0 -16239,3 -953,542 -45,736 -2,68553 0,0370024 0,630172 -2,15E+06 17,0306 476 476 NH3L NH3L1 SANPHAMRA $/hr C bar cal/mol cal/gm cal/mol-K cal/gm-K mol/cc gm/cc cal/sec kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr HVTH: Nguyễn Quang Thành Liquid 50 0 -67820 -3764,58 -37,5503 -2,08436 0,0548563 0,988252 -5,22E+06 18,0153 277 277 0 Liquid 92 0 -188062 -1917,44 -79,5672 -0,811252 0,0178454 1,75026 -1,51E+06 98,0795 29 0 Liquid 0 -189879 -1935,97 -79,2647 -0,808168 0,0189494 1,85855 -4,11E+06 98,0795 78 0 Liquid 50 0 -302411 -3085,98 236,987 2,41835 0,0133626 1,30947 -5,06E+07 97,9952 602 0 Liquid 50 0 -302411 -3085,98 236,987 2,41835 0,0133626 1,30947 -4,13E+07 97,9952 492 0 Vapor 151 4,87959 0 0 -56791 -3152,38 -10,9587 -0,608302 0,000141884 0,00255608 -851866 18,0153 54 54 0 Trang 95 Liquid 12 0 -16260,4 -954,778 -45,8096 -2,68985 0,0370862 0,631598 -2,01E+06 17,0306 446 446 Liquid 12 0 -16260,4 -954,778 -45,8096 -2,68985 0,0370862 0,631598 -3,36E+06 17,0306 744 744 Mixed 180 5,06625 0,905599 0,0944012 0,905599 0,0944012 -145536 -2674,37 8,46388 0,155532 0,0178015 0,968735 -6,05E+07 54,4189 1081,1071 388 26,76 Luận văn tốt nghiệp H3O+ OHNH4+ SO4-H2PO4HPO4-2 PO4-3 H2SO4 H3PO4 TRIAMPHO DIAMMPHO AMMONPHO AMMONSUL Mole Fractions H2O NH3 CO2 H3O+ OHNH4+ SO4-H2PO4HPO4-2 PO4-3 H2SO4 H3PO4 TRIAMPHO DIAMMPHO AMMONPHO AMMONSUL kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr kmol/hr GVHD : TS Vũ Hồng Thái 0 0 0 8,51311 21,18 238,85 232,12 69,4374 0 0 0 0,0494453 3,61E-76 0 5,69E-77 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 29 0 0 0 0 0 0 78 0 0 0 0 0 0 602 0 0 0 0 0 0 492 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 29 602 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40,11 176,60 420,63 29,0035 0,256620293 0,003356316 0 0 0 0 0,011050486 0,027498496 0,310036373 0,301304467 0,090133569 0,993109723 0,006874189 0 0 0 0 1,61E-05 1,17E-79 0 1,85E-80 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,220079 0,422008 0 0 0 0 0,0164492 0,341463 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,3588914 0,0247505 0 0 0 0 0,0371054 0,163353 0,3890721 0,0268276 HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 96 Luận văn tốt nghiệp Mass Flows H2O NH3 CO2 H3O+ OHNH4+ SO4-H2PO4HPO4-2 PO4-3 H2SO4 H3PO4 TRIAMPHO DIAMMPHO AMMONPHO AMMONSUL Mass Fractions H2O NH3 CO2 H3O+ OHNH4+ SO4-H2PO4HPO4-2 PO4-3 H2SO4 H3PO4 TRIAMPHO DIAMMPHO AMMONPHO AMMONSUL kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr GVHD : TS Vũ Hồng Thái 73933,2212 3561,55 44,0351 0 0 0 0 834,961 2075,968548 31541,20232 26699,99423 9175,51 55352,76578 54988,1 359,816213 0 0 0 0 4,84957 3,53E-74 0 7,51E-75 57576,8 57576,8 0 0 0 0 0 0 0 4990,23 4990,23 0 0 0 0 0 0 0 2844,3 0 0 0 0 0 2844,3 0 0 7650,2 0 0 0 0 0 7650,2 0 0 58993,1 0 0 0 0 0 58993,1 0 0 48213,6 0 0 0 0 0 48213,6 0 0 972,825 972,825 0 0 0 0 0 0 0 1999,7 1999,7 0 0 0 0 0 0 0 81498,1 6989,93 12670,7 0 0 0 0 2844,3 58993,1 0 0 8106,55 8106,55 0 0 0 0 0 0 0 7595,63 7595,63 0 0 0 0 0 0 0 12670,7 12670,7 0 0 0 0 0 0 0 86914,179 6989,93 455,70234 0 0 0 0 3931,072 23321,402 48383,528 3832,5442 0,048172526 0,000595606 0 0 0 0 0,011293448 0,028078968 0,42661745 0,361136628 0,124105373 0,993411968 0,00650042 0 0 0 0 8,76E-05 6,38E-79 0 1,36E-79 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,085768 0,155473 0 0 0 0 0,0349003 0,723859 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,0804234 0,0052431 0 0 0 0 0,0452294 0,2683268 0,5566816 0,0440957 HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 97 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái 10- Đánh giá mô aspen cho tính tốn thiết bị phản ứng DAP Biểu đồ so sánh khối lượng sản phẩm thực tế mô HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 98 Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS Vũ Hồng Thái Chương trình aspen chương trình mơ toàn diện với sở liệu lớn, chương trình hữu ích cho việc mơ đánh giá thiết bị hóa học nói chung thiết bị phản ứng nói riêng Trong đề tài đã đưa mơ hình với thiết bị phản ứng, sản phẩm mô đánh giá tương đối xác thực tế nhà máy Có sai khác khoảng 20% giá trị so với thực tế việc thông số hệ số k, E chưa chuẩn xác Điều tài liệu cần xác định theo nghiệm Do H2SO4 axit mạnh nên gần thực tế mô ưu tiên phản ứng hết với NH3 sau đến H3PO4, hàm lượng H2SO4 không nhiều nên đảm bảo chất lượng phốt sản phẩm Thiết bị tiền trung hòa cho thành phần diammonium phosphate nhiều ammonium phosphate, thiết bị phản ứng ống cho giá trị ngược lại Từ để điều chỉnh tỷ lệ Phốt Nitơ hợp lý theo nhu cầu thị trường HVTH: Nguyễn Quang Thành Trang 99 ... CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Quang Thành Đề tài luận văn: Nghiên cứu, tính tốn mơ hình hóa thiết bị phản ứng dây chuyền sản xuất DAP Chuyên ngành: Máy thiết bị hóa chất... CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TIỀN TRUNG HỊA VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ỐNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP 3.1 Cân nhiệt cho thiết bị phản ứng 3.1.1 Cân nhiệt cho thiêt bị phản ứng. .. MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TIỀN TRUNG HÒA VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ỐNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP .28 3.1 Cân nhiệt cho thiết bị phản ứng 28 3.2 Xác định kích thước thiết bị