Mô phỏng và tối ưu hóa quá trình sản xuất ammonium nitrate,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Vũ Đình Phi

MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA
QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT AMMONIUM NITRATE

Chuyên ngành : Kỹ thuật hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. VŨ ĐÌNH TIẾN

Hà Nội – 2016


Luận văn tốt nghiệp
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật “ Mô phỏng và tối ưu quá
trình sản xuất Ammonium Nitrate” là công trình do chính tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn của TS. Vũ Đình Tiến. Các kết quả trình bày trong luận văn hoàn
toàn chính xác, đáng tin cậy và chưa từng công bố trong các công trình khoa
học nào

Hà Nội, ngày 10 tháng 04 năm 2016
Học viên

Vũ Đình Phi

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
i


Luận văn tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Vũ
Đình Tiến đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cũng như định hướng về mặt chuyên
môn và tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tập thể công ty TNHH Hóa chất công
nghiệp Việt Hoa - đơn vị tôi đang công tác, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi
hoàn thành luận văn.
Sau cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và các bạn sinh viên
hóa dầu K55 đã luôn đồng hành, hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện đề tài
nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 04 năm 2016
Học viên

Vũ Đình Phi

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
ii


Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ ............................................................ viii
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................. ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ AMONI NITRAT VÀ PHÂN BÓN
CHỨA NITƠ ...............................................................................................1
1.1. TỔNG QUAN VỀ NH4NO3 ...........................................................................1
1.1.1. Giới thiệu ...............................................................................................1
1.1.2. Tính chất vật lý và tính chất hóa học của amoni nitrat.........................2
1.2. TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN CHỨA NITƠ ...........................................13
1.2.1. Các loại phân amôn .............................................................................14
1.2.2. Các loại phân nitrat .............................................................................20
1.2.3. Các loại phân bón lỏng có chứa amôn ................................................22
1.2.4. Các loại phân đạm hiệu quả chậm ......................................................23

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT SẢN XUẤT AMONI NITRAT .....................26
2.1. SẢN XUẤT TỪ AMONIAC VÀ AXIT NITRIC .......................................26
2.1.1. Quá trình UCB ( UCB process) ..........................................................28
2.1.2. Công nghệ Stamicarbon ( Stamicarbon Process) ...............................29
2.1.3. Quá trình công nghệ NSM/Norsk Hydro (NSM/Norsk Hydro process)
.......................................................................................................................30
2.2. TỔNG HỢP TỪ CALCIUM NITRATE TETRAHYDRATE
Ca(NO3)2.4H2O. ...................................................................................................31
HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến

iii


Luận văn tốt nghiệp
2.3. CÔNG NGHỆ SẢN SUẤT CỦA CÔNG TY TNHH MỘT THÀNH VIÊN
95 ..........................................................................................................................33

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHẢN ỨNG ...................38
3.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................38
3.2. ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG ...........................................................................39
3.2.1. Phương trình động học, bậc phản ứng ................................................40
3.2.2. Phương pháp thực nghiệm xác định phương trình động học của phản
ứng hóa học ...................................................................................................44
3.3. THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ................................................................................46
3.3.1. Các phương thức tiến hành quá trình phản ứng..................................46
3.3.2. Các thiết bị phản ứng cơ sở .................................................................49
3.4. LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC TIẾN HÀNH PHẢN ỨNG ......................51
3.5. CƠ CHẾ, ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG TỔNG HỢP AMONI NITRAT VÀ
THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TẠI CÔNG TY TNHH MỘT THÀNH VIÊN 95 .......52

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG CỤM TỔNG HỢP AMONI NITRAT BẰNG
ASPEN .......................................................................................................54
4.1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG ..................................................................54
4.1.1. Giới thiệu .............................................................................................54
4.1.2. Khái niệm về mô phỏng ......................................................................55
4.2. GIỚI THIỆU VỀ ASPEN .............................................................................55
4.2.1. Lịch sử hình thành Aspen ...................................................................55
4.2.2. Ứng dụng và ưu điểm của Aspen........................................................56
4.3. MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CỤM TỔNG HỢP AMONI NITRAT ................58
4.3.1. Cấp nguyên liệu vào thiết bị phản ứng ...............................................58

4.3.2. Phản ứng trong thiết bị phản ứng hình ống R101...............................59
4.3.3. Thùng tách lỏng-khí sau thiết bị phản ứng hình ống ..........................61
4.3.4. Thiết bị rửa hơi công nghệ (R-101B) .................................................62
4.3.5. Thông số công nghệ của cụm tổng hợp amoni nitrate........................63

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
iv


Luận văn tốt nghiệp
4.4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CỤM TỔNG HỢP AMONI
NITRAT TRÊN ASPEN......................................................................................66
4.4.1. Chọn modul mô phỏng cụm tổng hợp Amoni nitrat ..........................66
4.4.2. Lựa chọn các mô hình trên Aspen Plus ..............................................66
4.4.3. Kết quả và thảo luận ............................................................................68
4.4.4. Dùng Aspen Plus để tối ưu hóa thông số công nghệ cụm tổng hợp
amoni nitrat ....................................................................................................72

CHƯƠNG 5: VẬN HÀNH VÀ AN TOÀN TRONG CỤM TỔNG HỢP
AMONI NITRAT ......................................................................................75
5.1. VẬN HÀNH CỤM TỔNG HỢP AMONI NITRAT ...................................75
5.1.1. Quy trình khởi động cụm ....................................................................75
5.1.2. Vận hành bình thường cụm tổng hợp amoni nitrat.............................79
5.2. AN TOÀN TRONG CỤM TỔNG HỢP AMONI NITRAT .......................81
5.2.1. Amoniac ..............................................................................................81
5.2.2. Axit nitric và axit sunfuric ..................................................................86
5.2.3. Khí NOx ...............................................................................................88
5.2.4. Dung dịch Amoni nitrat ......................................................................88
5.2.5. An toàn trong khi bảo dưỡng cụm tổng hợp Amonia nitrat ...............88

KẾT LUẬN .................................................................................................91

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
v


Luận văn tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên đầy đủ hoặc ý nghĩa từ

A.B.C

Amoni Bicacbonat

A.Cl

Amoni Clorua

ANFO

Tên 1 loại thuốc nổ (Amoni nitrat + dầu diezen)

A.S

Amoni Sunfat

ASPEN

Advanced System for Process Engineering

CPAN

Amoni nitrat dạng tinh thể

DAP

Diamoni Photphat

NP

Nitrogen - photphorus

NPK

Nitrogen – photphorus – Potassium

PPAN

Amoni nitrat dạng hạt xốp

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

TKV

Tập đoàn công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam

Z195

Tên nhà máy snar xuất amoni nitrat thuộc công ty TNHH
một thành viên 95

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
vi


Luận văn tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên

Bảng

Trang

Bảng 1.1

Các dạng tinh thể của amoni nitrat

3

Bảng 1.2

Tỷ trọng của dung dịch bão hòa và dung dịch sôi

6

Bảng 1.3

Độ hút ẩm của amoni nitrat

7

Bảng 1.4

Thành phần chế tạo của thuốc nổ ANFO

10

Bảng 1.5

Các chỉ tiêu kỹ thuật của thuốc nổ ANFO

10

Bảng 1.6

Chỉ tiêu kỹ thuật của amoni nitrat tinh thể dùng để
sản xuất thuốc nổ nhũ tương

Bảng 1.7

Sản lượng phân amoni nitrat trên thế giới, 106T, 1981

Bảng 4.1

Bảng cân bằng chất và cân bằng lượng Base Method
ELECNRTL

Bảng 4.2

Bảng cân bằng chất và cân bằng lượng khi dùng Base
Method NRTL

Bảng 4.3

Thông số tối ưu hiệu suất sử dụng nguyên liệu

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
vii

11
12
69
70
71


Luận văn tốt nghiệp
DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ
Tên

Hình vẽ, Biểu đồ

Trang

Hình 1.1

Sự thay đổi khối lượng riêng theo sự biến đổi dạng tinh

3

thể của amoni nitrat.
Hình 1.2

Sự phụ thuộc của nhiệt độ kết tinh và nhiệt độ sôi vào

4

nồng độ dung dịch amoni nitrat
Hình 1.3

Tỷ trọng dung dịch amoni nitrat

5

Hình 1.4

pH của dung dịch amoni nitrat

6

Hình 2.1

Cấu tạo thiết bị phản ứng.

26

Hình 2.2

Công nghệ UCB

27

Hình 2.3

Quá trình công nghệ Stamicarbon

28

Hình 2.4

Công nghệ NSM/Norsk Hydro

30

Hình 2.5

Công nghệ BASF cho chuyển hóa của calcium nitrate.

31

Hình 2.6

Sơ đồ công nghệ cụm tổng hợp amoni nitrat tại Công ty

35

TNHH một thành viên 95
Hình 3.1

Thực nghiệm về sự phụ thuộc nồng độ cấu tử A vào

44

thời gian phản ứng τ
Hình 3.2

Phân bố nồng độ trong 3 loại thiết bị phản ứng cơ bản.

49

Hình 3.3

Hình dáng thiết bị tổng hợp amoni nitrat tại Công ty

52

TNHH một thành viên 95
Hình 4.1

Giao diện môi trường mô phỏng

57

Hình 4.2

Main Flowsheet của chương trình mô phỏng trên

68

Aspen Plus
Hình 4.3

Đồ thị tối ưu hiệu suất sử dụng nguyên liệu

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
viii

71


Luận văn tốt nghiệp
LỜI MỞ ĐẦU
Ammonium nitrat được biết đến đã từ rất lâu như một loại hợp chất rất
quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp
hóa học và quân sự.
Hiện nay trong nông nghiệp, phân bón amoni nitrat chiếm khoảng 11%
lượng phân đạm tiêu thụ trên thế giới, sỡ dĩ nó chiếm lượng tiêu thụ lớn như thế
vì nó có thể cung cấp đồng thời hai ion amoni và nitrat đều có lợi cho cây trồng.
Còn về công nghiệp và quốc phòng, amoni nitrat được dùng như là thành phần
chính của nhiều loại thuốc nổ như thuốc nổ ANFO hay thuốc nổ nhũ tương…,
ngoài ra amoni nitrat còn được sử dụng để sử lý quặng titanium, sản xuất
amoniac, oxit nito…

Nói đến đây chúng ta cũng có thể tưởng tượng được rằng amoni nitrat có
thể được ứng dụng rộng dãi như thế nào. Do nhu cầu sử dụng amoni nitrat ở
trong nước và trên thế giới là rất lớn và ngày càng tăng nên việc nghiên cứu về
công nghệ sản xuất amoni nitrat là cần thiết cho việc đáp ứng lượng tiêu thụ
trong nước và xuất khẩu ra nước ngoài trong tương lai. Ở nước ta hiện nay đã
có hai nhà máy sản xuất amoni nitrat, tuy nhiên dây chuyền công nghệ lại phải
mua bản quyền từ nước ngoài. Vì vậy trong luận văn này, với đề tài “ Mô phỏng
và tối ưu hóa quá trình sản xuất ammonium nitrat”, tôi muốn đưa ra tổng quát
các tính chất hóa lý của hợp chất, đưa ra những công nghệ sản xuất hiện có trên
thế giới, sau đó lựa chọn, mô phỏng công nghệ thích hợp, tối ưu hóa quá
trình… nhằm mong chúng ta có thể hiểu rõ hơn và tìm cách làm chủ được công
nghệ trong sản xuất sau này.

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
ix


Luận văn tốt nghiệp
PHẦN MỞ ĐẦU
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ammonium Nitrate là một sản phẩm quan trọng của công nghiệp hóa
chất. Nó có thể sử dụng làm phân đạm trong sản xuất công nghiệp cũng như là
chất oxy hóa mạnh dùng trong thuốc nổ công nghiệp.
Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng amoni nitrat là rất lớn khoảng 100.000
tấn/năm, dự kiến 150.000 tấn vào năm 2020. Nhưng tính đến đầu năm 2015
lượng amoni nitrat của nước ta chủ yếu là nhập khẩu từ nước ngoài, đặc biệt là
Trung Quốc.
Hiện nay dây truyền tổng hợp Ammonium Nitrate phải mua bản quyền
từ nước ngoài, vì vậy việc để có thể làm chủ công nghệ thì việc nghiên cứu và

mô phỏng hệ thống thiết bị này là hết sức cần thiết.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về kỹ thuật sản xuất Ammonium
Nitrate
- Ứng dụng Aspen để mô phỏng và tối ưu hệ thống công nghệ sản xuất
Ammonium Nitrate.
- Tính toán cân bằng nhiệt và cân bằng chất cho TB phản ứng chính hệ
thống.
c. Nội dung kết quả đạt được:
- Tìm hiểu tổng quan về amoni nitrat, các tính chất hóa lý và ứng dụng
trong thực tiễn.
- Tìm hiểu kỹ thuật sản xuất amoni nitrat, lựa chọn công nghệ phù hợp từ
các công nghệ hiện có trên thế giới.

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
x


Luận văn tốt nghiệp
- Nghiên cứu về kỹ thuật phản ứng, cơ chế, động học phản ứng tổng hợp
amoni nitrat.
- Mô phỏng cụm phản ứng tổng hợp amoni nitrat và tối ưu hóa thông số
công nghệ.
- Tìm hiểu thêm về vận hành và an toàn trong cụm tổng hợp amoni nitrat.
III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tổng hợp tài liệu và sử dụng phần mềm mô phỏng Aspen

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến

xi


Luận văn tốt nghiệp
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ AMONI NITRAT VÀ PHÂN BÓN
CHỨA NITƠ

1.1. TỔNG QUAN VỀ NH4NO3
1.1.1. Giới thiệu
Amoni nitrat lần đầu tiên được tìm thấy trong tự nhiên là ở sa mạc
Atacama ở Chile, nhưng amoni nitrat được sử dụng chủ yếu là sản phẩm của
quá trình tổng hợp trong công nghiệp. Nó thường được biết với tên là:
Tên khoa học: Ammonium nitrate
Tên thường gọi: Amoni nitrat
Công thức hóa học: NH4NO3
Một số tên gọi khác: AN, Nitrat amon

Amoni nitrat (NH4NO3) là một hợp chất hóa học quan trọng. Trong công
nghiệp amoni nitrat được sản xuất chủ yếu bằng phản ứng trung hòa giữa
amoniac (NH3) ở thế khí và axit nitric (HNO3) ở thể lỏng, phản ứng tỏa nhiều
nhiệt, theo phương trình:
NH3(g) + HNO3(l)

NH4NO3(aq) - 34642 kCal / kmol

(1)

Đôi khi amoni nitrat cũng được sản suất theo phương trình:
Ca(NO3)2.4H2O + 2NH3 + CO2

2NH4NO3(aq) + CaCO3(s)
+H2O - 126 Kj/mol

(2)

Amoni nitrat được dùng làm phân bón trực tiếp. Trên thế giới, amoni
nitrat chiếm khoảng 11% lượng phân bón nitơ cho cây trồng do hàm lượng nitơ
cao và tương đối rẻ.
HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
1


Lu
un vn tt
t nghip
oni nitrat cng
c
cc to thn
nh trong sn xut ph
hõn bún nitrogen
n

Amo
hosphoruss (NP) hay
y phõn bún
n nitrogen
n phosph
horus po
otassium (NPK)

(
bii
ph
ph
hn ng giia qung phosphat v axit nittric.
Ngoi ra, amon
ni nitrat c
ng c dựng
d
lm cht
c
oxy húa
h v l th
hnh phn
n
c
a mt s loi thucc n.
1..1.2. Tớnh cht vt lý v tớnh
h cht húa hc ca amoni
a
nitrrat
1..1.2.1. Tớn
nh cht vt lý
Amo
oni nitrat (NH
(
b mu trrng nhit phũ
ũng v ỏp
p
4NO3) l cht bt

su
ut tiờu ch
hun, núng
g chy nhit
n
169,6oC (3
337,3oF), khi
k
lng
g phõn t:
80
0,04336 g/mol.
g
Kh
i lng riiờng 1,73g
g/cm3. Nhiit sụi khong 210oC ỏp
p
su
ut khớ qu
uyn v b phõn hy
y trong kho
ong nhit ny. Amoni nitrat rt d
taan trong n
c. Vớ d
100oC cú
c th hũaa tan 9g am
moni nitratt trong 1g nc.
n
Cỏc dng
d

tinh th ca am
moni nitra
at
Amo
oni nitrat tn ti 5 dng tinh th
(p
pha) khỏc nhau. S thay i gia
g
cỏc dng
d
tinh
th
h ny
c tng h
p trong Bng 1.1, kốm
k
theo
s
thay i th tớch nh
h ó ch ra
r Hỡnh 1.1.
Ngờ
ời ta chứn
ng minh đợc
đ
rằng
g ở điều
kiiện nhiệt độ và áp suất tơn
ng đối cao
o, amoni

niitrat còn tồ
ồn tại ở dạạng thứ sáu
u.
Khi thay
t
đổi từ
ừ pha V vềề pha IV vvà từ pha
IIII về pha II kéo theo
o sự giảm thể
t tích t
ơng ứng
làà 3,0 và 1,3
3% trong khi
k đó nếu
u chuyển từ
ừ pha IV về
v pha III và
v từ pha II
I về pha I
kèèm theo sự
ự tăng thể tích tơng
g ứng là 3,6
6 và 2,1 %.
%
Tuy nhiên, cũn
ng có mộtt số điểm bất thờn
ng, ví dụ khi
k tăng áp
p suất lên
n

trrên 8826 Bar
B (9000 k
kG/cm2 )th
hì pha II b
biến mất và thay bằn
ng pha VI.. Đặc biệt,,
đố
ối với các mẫu amoni nitrat đã
đ đợc sấy
y khô triệtt để thì sự
ự chuyển pha
p ở 32oC

H
HVTH: V ỡnh Phi
G
GVHD: TS.V ỡnh Tin
2


Lun vn tt nghip
biến mất và đợc thay thế bằng sự chuyển pha ở 50oC đồng thời loại trừ sự tồn
tại của pha III. Nhìn chung, sự chuyển pha này là trờng hợp giả bền.

Hỡnh 2.1: S thay i khi lng riờng theo s bin i dng tinh th ca
amoni nitrat

Bng 1.1: Cỏc dng tinh th ca amoni nitrat
Dạng tinh thể
Lỏng

Mạng tinh thể

Khoảng nhiệt độ, oC

-

>169,6

Pha I,

Hình lập phơng

125,2 169,6

Pha II,

Tứ diện

84,2 125,2

Pha III,

Hình thoi

32,3 84,2

Pha IV,

Hình thoi

-18 32,3

Pha V,

Tứ diện

< - 18

HVTH: V ỡnh Phi
GVHD: TS.V ỡnh Tin
3


Lun vn tt nghip
Pha III v pha IV cú ý ngha quan trng nht v mt thc tin. Vỡ trc
ht, s chuyn pha gia chỳng xy ra nhit gn vi nhit mụi trng v
th hai s chuyn pha ny kốm theo s thay i ln v th tớch. Nu s thay i
pha ny lp i lp li nhiu ln s dn n phỏ hy cỏc tớnh cht ca sn phm.
Vỡ th, thu c sn phm amoni nitrat bn phi tin hnh n nh chỳng
bng cỏch chng li s chuyn pha ny .

1.1.2.2. tan ca amoni nitrat

Hỡnh 1.2: S ph thuc ca nhit kt tinh v nhit sụi vo nng
dung dch amoni nitrat
Amoni nitrat rất dễ tan trong nớc và độ tan tăng rất nhanh theo nhiệt độ,
nh đã chỉ ra trên Hình 1.2. Trong các dung dịch đặc, đặc biệt là trong khoảng
nồng độ 90 100%, thậm chí một sự thay đổi nhỏ về hàm lợng nớc cũng tạo
ra sự thay đổi đáng kể về nhiệt độ kết tinh. Trong công nghiệp, ngời ta ứng

dụng tính chất này để xác định hàm lợng nớc trong các dung dịch amoni
HVTH: V ỡnh Phi
GVHD: TS.V ỡnh Tin
4


Luận văn tốt nghiệp
nitrat. Amoni nitrat cũng tan ®¸ng kÓ trong nhiÒu dung m«i h÷u c¬ vµ c¸c dung
m«i kh«ng n−íc kh¸c.

Hình 1.3: Tỷ trọng dung dịch amoni nitrat

 Tỷ trọng của amoni nitrat
Amoni nitrat rắn có tỷ trọng là 1,725 g/cm3 ở nhiệt độ phòng và dạng tinh
thể thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ như đã chỉ trên Hình 1.1
Tỷ trọng của các dung dịch nước bão hòa amoni nitrat và của các dung
dịch amoni nitrat sôi được cho trong Bảng 1.2 và rộng hơn trên Hình 1.3

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
5


Lun vn tt nghip
Bng 1.2: T trng ca dung dch bóo hũa v dung dch sụi

pH ca dung dich amoni nitrat trong nc

Hỡnh 1.4: pH ca dung dch amoni nitrat
pH của dung dịch amoni nitrat là một thông số điều khiển quan trọng

trong quá trình sản xuất. Nó thờng đợc đo với dung dịch amoni nitrat 10%
khối lợng và có giá trị trong khoảng 4 5. Với dung dịch này, khi thêm một
HVTH: V ỡnh Phi
GVHD: TS.V ỡnh Tin
6


Lun vn tt nghip
lợng nhỏ axit nitric hoặc amoniac sẽ làm thay đổi đáng kể pH, điều này đợc
minh họa trên Hình 1.4.

Tớnh hỳt m, kt khi v cỏch bo qun
Amoni nitrat l mt cht hỳt m mnh. Chng hn nhit 30oC thỡ
khụng khớ cú m tng i ln hn 60% thỡ amoni nitrat s b hỳt m.
hỳt m ca amoni nitrat v tc hỳt m t khụng khớ s gim i khi trn ln
hoc nu chy nú vi cỏc cht khỏc (vớ d amoni sunfat), do ỏp sut hi nc
trờn dung dch bóo hũa c hai mui y ln hn ỏp sut hi nc trờn dung dch
bóo hũa amoni nitrat. Tuy nhiên, nó không tạo thành các hydrat. Độ ẩm của
không khí tại các nhiệt độ khác nhau khi cân bằng với dung dich amoni nitrat
bão hòa đợc cho trong Bảng 1.3.
Bng 1.3: hỳt m ca amoni nitrat
Nhiệt độ, oC

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Độ ẩm tơng đối,%

82

75

70

67

63

59

56

53

51

48

Phng phỏp phũng nga s hỳt m ca amoni nitrat cú hiu qu l: bo
qun mui trong cỏc bao bỡ kớn v bn, vớ d trong bao nha pholyethylen.
Amoni nitrat b kt khi mnh vỡ lý do : tan trong nc ca nú cao,
khi hũa tan nú ta mt lng nhit ln, hỳt m mnh v bin i a hỡnh. iu
ny gõy khú khn cho vic bo qun v s dng nú.
Nhng bin phỏp chng kt khi hiu qu nht l :
- Sn xut sn phm di dng ht.
- Lm lnh sn phm thỏp to ht ớt nht n 30oC, ngha l thp hn
nhit ca bin i cu hỡnh ca NH4NO3 (VI) NH4NO3 (III) xy ra
32,5oC.

HVTH: V ỡnh Phi
GVHD: TS.V ỡnh Tin
7


Luận văn tốt nghiệp
- Dùng các phụ gia điều tiết đưa vào dung dịch amoni nitrat trước khi kết
tinh nó, đó là các muối canxi, magie của axit nitric thu được bằng cách hòa tan
dolomit hoặc quặng photphat trong axit nitric.
- Để giảm độ kết khối của amoni nitrat dạng hạt có thể trộn vào các chất
hút ẩm được nghiền mịn. Những chất này có khả năng hút một lượng ẩm đáng
kể. Các chất này có thể là: bột photphoric, xương, tro, thạch cao, cao lanh hoặc
những kim loại oxit là các nguyên tố cần thiết với cây trồng.

1.1.2.3. Một số tính chất hóa học
Amoni nitrat hoàn toàn bền ở nhiệt độ môi trường. Nó bắt đầu phân hủy
ở nhiệt độ 170oC và phân hủy đáng kể ở 200oC. Các phản ứng phân hủy xảy ra
rất phức tạp và phụ thược rất nhiều vào các điều kiện như nhiệt độ, tốc độ tăng
nhiệt độ, sự có mặt của các hợp chất hóa học,…
Tùy theo nhiệt độ, các phản ứng phân hủy chủ yếu xảy ra như sau:
Tõ 170oC  250oC:
NH4NO3  NH3 (k) + HNO3 (k) - 41,7 kcal/mol

(1)

Tõ 250oC  300oC:
NH4NO3

N2O (k) + 2H2O (h) + 13,2 kcal/mol

(2)

Trªn 300oC:
2NH4NO3
2NH4NO3

2N2(k) + O2 (k) + 4H2O (h) + 30,5 kcal/mol
N2 (k)+ 2NO (k) + 4H2O (h) + 9,0 kcal/mol

3NH4NO3
4NH4NO3

2N2 (k)+ 2N2O3 (k) + 6H2O (h) + 9,0 kcal/mol
3N2 (k)+ 2NO2 (k) + 8H2O (h) + 9,0 kcal/mol

(3)
(4)
(5)
(6)

Phản ứng (1) là thuận nghịch và thu nhiệt trong khi tất cả các phản ứng
còn lại đều là phản ứng một chiều và tỏa nhiệt.
Các phản ứng từ (3) – (6) thường kèm theo hiện tượng nổ, trong đó phản
ứng (3) tỏa nhiều nhiệt nhất, gấp 3 lần phản ứng (2) và là phản ứng quan trọng
nhất khi nổ.

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
8


Luận văn tốt nghiệp
Một số chất còn có tác dụng thức đẩy sự phân hủy của amoni nitrat và gọi
đó là hiệu ứng xúc tác. Trong đó đặc biệt chú ý là clorua (Cl-), crommat (Cr2O72hoặc CrO42-), …
Amoni nitrat là một chất oxy hóa mạnh. Nó có thể gây cháy, nổ khi tiếp
xúc với các hợp chất hữu cơ và bị nung nóng. Quá trình cháy vẫn có thể xảy ra
thậm chí không có mặt của không khí, vì thế nó có khả năng thúc đẩy quá trình
cháy mặc dù không thể tự cháy.
2NH4NO3 + C

2N2+ CO2+ 4H2O + 75,2 kcal/mol

(7)

Phản ứng cháy tỏa nhiều nhiệt, nhiều hơn cả khi tự nó phân hủy theo phản
ứng (3). Chính vì thế, hỗn hợp của amoni nitrat với dầu hỏa và các hợp chất
tương tự có thể tạo thành một chất nổ mạnh.
Nguy hiểm nổ của amoni nitrat tăng lên khi có mặt các axit vô cơ và các
chất dễ oxy hóa. Còn khi tăng độ ẩm của muối thì nguy hiểm nổ bị giảm. Amoni
nitrat khi chứa trên 3% nước không nổ ngay cả khi có ngòi nổ. Để phòng ngừa
quá trình tự phân hủy xảy ra người ta cho thêm vào amoni nitrat các chất ổn
định. Các chât ổn định là urê (0,05-0,1%); canxi, magie cacbonat và các chất
khác.

1.1.2.4. Ứng dụng của amoni nitrat
Amoni nitrat là một hợp chất vô cơ quan trọng, nó được sử dụng rộng rãi
trong rất nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới đặc biệt là trong nông nghiệp và trong
công nghiệp thuốc nổ.
Một số ứng dụng:

 Sử dụng làm phân bón
Với hàm lượng nitơ chiếm khoảng 33-35% và giá thành sản xuất công
nghiệp tương đối rẻ nên nó là đã trở thành một trong các loại phân bón quan
trọng. Trên thế giới phân bón amoni nitrat chiếm khoảng 11% phân đạm được
sản xuất hàng năm. Phân bón amoni nitrat có tính chua tuy nhiên đây là loại
phân quý vì chứa cả 2 gốc NH4+ và NO3-, có thể dùng cho nhiều loại đất và
HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
9


Luận văn tốt nghiệp
nhiều loại cây trồng cạn. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm là dễ chảy rữa, dễ
phân hủy và dễ rửa trôi. Phân này được dùng để pha thành dung dịch dinh

dưỡng để tưới cây trong nhà kính và tưới bón thúc cho nhiều loại cây ăn quả. Để
làm phân bón người ta sản xuất amoni nitrat ở dạng hạt (hoặc vảy) chứa không
dưới 97% amoni nitrat, độ ẩm không quá 1,5% và tơi xốp.
Nhu cầu tiêu thụ đạm amoni nitrat trên toàn thế giới tính đến tháng 7 – 8,
năm 2008 (theo Greendelta) :
-

Tổng nhu cầu: 39 triệu tấn.

-

Nước xuất khẩu nhiều nhất: Nga chiếm 39% toàn thế giới.

-

Nước nhập khẩu nhiều nhất: Mỹ chiếm 12% toàn thế giới.

 Sử dụng làm thuốc nổ
Trong công nghiệp và trong quốc phòng (các loại thuốc nổ đều được nhà
nước quy chuẩn kỹ thuật thuốc nổ quốc gia - QCVNxx):

 Thành phần chế tạo thuốc nổ ANFO:
Amoni nitrat được dùng như thành phần chính của của thuốc nổ ANFO.
Thuốc nổ ANFO được quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 04:2012/BCT) như
trên Bảng 1.4:
Bảng 1.4: Thành phần chế tạo của thuốc nổ ANFO
STT

Tên nguyên liệu

Tỷ lệ khối lượng, %

1

Amoni nitrat (NH4NO3-độ tinh khiết

94±1,5

≥98,5%)
2

Dầu Điêzen

6±0,5

 Các chỉ tiêu kỹ thuật của thuốc nổ ANFO:

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
10


Luận văn tốt nghiệp
Bảng 1.5: Các chỉ tiêu kỹ thuật của thuốc nổ ANFO
SST

Chỉ tiêu

Mức

Phương pháp thử

1
2

Khối lượng riêng rời, g/cm3
Tốc độ nổ, m/s

0,8÷0,95
3000÷4500

TCVN 6422:1998

3 Khả năng sinh công trong bom chì, cm3
300÷330
TCVN 6423:1998
4
Sức ép trụ chì, cm3
≥15 (đo trong ống thép) TCVN 6421:1998
5

Thời hạn đảm bảo, ngày

90

Amoni nitrat (NH4NO3) tinh thể dùng để sản xuất các loại thuốc nổ nhũ
tương phải đạt các yêu cầu kỹ thuật quy định tại Bảng 1.6 (QCVN: 2014/BC).
Bảng 1.6: Chỉ tiêu kỹ thuật của amoni nitrat tinh thể dùng để sản xuất
thuốc nổ nhũ tương
SST

Chỉ tiêu

Yêu cầu kỹ thuật

1

Độ tinh khiết, %

≥ 98,5

2

Độ ẩm, %

≤ 0,5

3

Cặn không tan được, %

≤ 0,15

4

Độ pH (dung dịch 10%)

4,5 ÷ 5,5

 Các ứng dụng khác

+ Amoni nitrat được sử dụng trong việc sử lý quặng titanium.
+ Amoni nitrat được sử dụng trong việc sản xuất oxit nitơ (N2O):
NH4NO3(aq)

N2O(g) + 2H2O(l)

(8)

+ Sử dụng trong điều chế amoniac khan, một hóa chất được sử dụng trong
trong sản xuất methamphetamine.
+ Ngoài ra, amoni nitrat còn được sử dụng trong các túi làm lạnh nhanh.

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
11


Luận văn tốt nghiệp
1.1.2.5. Tình hình sản xuất và sử dụng amoni nitrat ở Việt Nam và trên thế
giới.
Amoni nitrat lần đầu được dùng làm phân bón ở châu Âu sau chiến tranh
thế giới lần thứ nhất do một lượng lớn amoni nitrat tồn dư không được sử dụng
làm thuốc nổ. Do amoni nitrat dễ nổ nên người ta thường trộn với đá vôi, thạch
cao hoặc amoni sulfat để làm phân bón. Ở Mỹ, amoni nitrat được dùng đầu tiên
vào năm 1926 với nguồn nhập từ Đức. Sau đó nó được sản xuất dưới dạng rắn
và dạng dung dịch. Sản lượng ở Mỹ tăng mạnh từ 383.000 tấn năm 1943 lên 7,3
triệu tấn năm 1980. Năm 1994, phân amoni nitrat chiến 5,3% trong lượng phâm
đạm tiêu thụ ở Mỹ.
Hiện nay, phân amoni nitrat chiếm khoảng 11% lượng phân đạm tiêu thụ
trên thế giới.

Nhu cầu sử dụng nguyên liệu amoni nitrat để sản xuất các hợp chất nổ an
toàn là rất lớn trên thế giới, đặc biệt là hợp chất nổ ANFO.
Bảng 1.7: Sản lượng phân amoni nitrat trên thế giới, 106T, 1981
Production

Import

Export

Western Europe
Eestern Europe
North America
Sorth America
Africa
Asia and Oceania

4.8
6.3
1.9
0.3
0.5
1.0

1.0
0.1
0.2
0.1

0.9
0.4

0.1
-

Total

14.8

1.4

1.4

Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng amoni nitrat là rất lớn khoảng 100.000
tấn/năm, dự kiến 150.000 tấn vào năm 2020. Nhưng tính đến đầu năm 2015
lượng amoni nitrat của nước ta chủ yếu là nhập khẩu từ nước ngoài, đặc biệt là
Trung Quốc.
Hiện nay ở Việt Nam đã có hai nhà máy sản xuất amoni nitrat là:
HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
12


Luận văn tốt nghiệp
Công ty TNHH một thành viên 95 trực thuộc bộ quốc phòng với sản
lượng amoni nitrat 20.000 tấn/năm. Với đặc tính sản phầm:
-

Đặc điểm: amoni nitrat dạng hạt xốp, không dính, không bụi.

-

Độ tinh khiết: ≥ 99,5%

-

Hàm lượng nitric: Không đáng kể.

-

Màu sắc: Trắng

-

Mật độ đong: 0,7 ÷ 0,8 g/cm3.

-

Độ ẩm: ≤ 0,30%

-

Độ hấp phụ dầu: ≥ 8%

-

pH (dung dịch NH4NO3 10%): 4,5 ÷ 5,5

-

Độ an định Abel ( ở 80oC): 30 phút

-

Cỡ hạt: 0,5 ÷ 3 mm là 98%, < 0,5 mm là 1% max.
Nhà máy sản xuất amoni nitrat Thái Bình của Tổng công ty Công nghiệp

Hóa chất mỏ (Micco) thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than -Khoáng sản Việt Nam
(TKV), được xây dựng tại cụm công nghiệp xã Thái Thọ ( Thái Thụy – Thái
Bình) trên diện tích 22,6 ha với tổng mức đầu tư 5.800 tỷ đồng (tương đương
280 triệu USD). Nhà máy có công suất 200.000 tấn/năm, sử dụng công nghệ
UHDE – Cộng hòa liên bang Đức, trong đó amoni nitrat dạng hạt xốp (PPAN)
sản lượng 100.000 tấn/năm, amoni nitrat dạng tinh thể (CPAN) sản lượng
100.000 tấn/năm. Nhà máy sản xuất amoni nitrat đã bắt đầu vận hành thương
mại từ đầu năm 2015, nhằm đáp ứng amoni nitrat trong nước tiến tới xuất khẩu.
1.2. TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN CHỨA NITƠ
Phân bón là "thức ăn" do con người bổ sung cho cây trồng. Trong phân
bón chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho cây. Các chất dinh dưỡng chính
trong phân là: đạm (N), lân (P), và kali (K). Ngoài các chất trên, còn có các
nhóm nguyên tố vi lượng...

HVTH: Vũ Đình Phi
GVHD: TS.Vũ Đình Tiến
13