I. Các Nguyên lý của quá trình
I.1. Các cơ sở của quá trình tổng hợp CA
Quá trình tổng hợp CA từ ure phải trải qua các phản ứng sau: + Dime hoá tạo ra biuret theo phản ứng:
2(NH2)2 CO ⎯⎯⎯⎯→ NH2CONH2CONH2 + NH3 + Q1 (27)
Xt, t0
+ Trime hoá tạo ra CA và triuret theo các phản ứng sau
(NH2)2CO + NH2CONH2CONH2⎯⎯⎯⎯→Xt, t0 C3H3O3N3 + NH3+Q2 (28)
(NH2)2CO +NH2CONH2CONH2⎯⎯⎯→Xt, t0 NH2CONH2CONH2 CONH2 + NH3+Q3 (29)
NH2CONH2CONH2 CONH2 ⎯⎯⎯→Xt, t0 C3H3O3N3 + NH3 - Q4 (30)
Do vậy nên quá trình phản ứng chủ yếu thu nhiệt, nhiệt sinh ra do phản ứng thứ t− nhỏ bởi vì hiệu suất tạo ra triuret rất thấp.
Xuất phát từ các yếu tố trên chúng tôi đã đặc biệt chú ý khảo sát tới các yếu tố có ảnh h−ởng trực tiếp tới hiệu suất của quá trình tổng hợp là các yếu tố nhiệt động (nhiệt độ, áp suất, v.v.), các yếu tố hoá học (xúc tác, thời gian phản ứng, v.v), v.v.
I.2. Xác định các thông số của giai đoạn chuyển pha
Trên cơ sở các phản ứng hoá học cùng với các yếu tố nhiệt động đã tạo ra các
cấu tử khác nhau trong hỗn hợp phản ứng. Thành phần các cấu tử tạo ra biến đổi theo chiều h−ớng chúng ta chủ định nhờ việc chúng ta can thiệp vào các thông số nhiệt động. Trong quá trình phản ứng hàm l−ợng CA trong hỗn hợp tăng dần lên (CA ở dạng rắn, không tan trong ure, biuret, triuret) sẽ đẩy hỗn hợp phản ứng chuyển từ pha lỏng sang pha rắn. Chúng tôi đặc biệt quan tâm tới vấn đề này bởi vì nó sẽ quyết định chính tới quá trình nghiên cứu cũng nh− triển khai áp dụng công nghệ sau này.
Chúng tôi đã thực hiện nhiều thí nghiệm để xây dựng giản đồ pha giúp xác định nhiệt độ chuyển pha, thành phần các cấu tử trong hỗn hợp. Giản đồ đ−ợc xây dựng cho hệ ba cấu tử chính là ure, biuret và CA
CA
Biuret ure
E
Hình 1: Giản đồ pha hệ 3 cấu tử ure, CA, triuret
Điểm E trên giản đồ là toạ độ của thành phần 3 cấu tử mà tại đó xảy ra quá trình chuyển pha từ lỏng sang rắn, tỷ lệ các cấu tử trong hỗn hợp nh− sau: ure : biuret : CA = 20:40:60 ứng với nhiệt độ thực nghiệm khoảng 2250C
I.3. Gradient nhiệt độ
Quá trình truyền nhiệt từ tác nhân tải nhiệt là khí nóng lên bề mặt và vào trong lòng hỗn hợp phản ứng thực sự là khó khăn do luôn tồn tại hai dòng nhiệt ng−ợc chiều nhau, một dòng do truyền nhiệt đi vào bên trong còn một dòng do quá trình thoát ammoniac gây ra h−ớng ra ngoài. Có thể minh hoạ 2 quá trình này nh− sau:
Tác nhân tải nhiệt
Hỗn hợp phản ứng amoniac T1 ta4 T2 ta3 T3 ta2 T4 ta1
Điều này đã giải thích tại sao phản ứng xảy ra rất chậm sau quá trình chuyển pha. Nếu nhiệt độ quá cao có thể xẩy ra các phản ứng ng−ợc với phản ứng tạo thành đó là nguyên nhân dẫn tới hiệu suất tổng hợp bị giảm và sản phẩm có chứa nhiều tạp chất khác.
I.4. áp suất làm việc
Phản ứng tạo thành CA luôn giải phóng ammoniac, vì vậy cần tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phản ứng xảy ra. Chúng tôi đã thiết kế hệ thống thiết bị phản ứng làm việc ở áp suất 1 at (áp suất khí quyển) là điều kiện tốt nhất cho thực hiện quá trình phản ứng, đảm bảo hiệu suất cao.
Nếu chúng ta giảm áp thấp hơn sẽ làm giảm quá trình truyền nhiệt từ bề mặt hỗn hợp phản ứng vào bên trong lòng nó, đồng thời thúc đẩy quá trình truyền nhiệt từ trong lòng ra ngoài bề mặt, mặt khác cũng làm tăng c−ờng khả năng phân huỷ ure, biuret nh− vậy sẽ làm hiệu suất giảm. Việc tạo áp suất âm đòi hỏi thiết bị rất khắt khe, quá trình chuyền nhiệt phải gián tiếp nh− vậy bề mặt truyền nhiệt sẽ giảm đi không đáp ứng đ−ợc yêu cầu kỹ thuật, đồng thời sẽ tăng khả năng thăng hoa của ure gây ra các sự cố tắc đ−ờng ống hút, hiệu suất giảm v.v.