Nghiên cứu động học của phản ứng khí hóa cacbon bằng hơi nước trong công nghiệp sản xuất đạm ure

..

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

Nguyễn Trường Giang

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG
KHÍ HĨA CACBON BẰNG HƠI NƯỚC TRONG
CƠNG NGHIỆP SẢN XUẤT ĐẠM URE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT HÓA HỌC

Hà Nội - 2017


BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------Nguyễn Trường Giang

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG
KHÍ HĨA CACBON BẰNG HƠI NƯỚC TRONG
CƠNG NGHIỆP SẢN XUẤT ĐẠM URE

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM NGỌC ANH

Hà Nội - 2017


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Trường Giang
Đề tài luận văn: Nghiên cứu động học của phản ứng khí hóa cacbon bằng hơi
nước trong cơng nghiệp sản xuất đạm Ure
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số SV: CB140025
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
……………………………………………………………………………………
………………..……………………………………………………………………
………………………………..……………………………………………………
………………………………………………..……………………………………
………………………………………………………………..……………………
………………………………………………………………………………..……
………………………………………………………………………………………
Ngày……tháng……năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

LỜI CẢM ƠN

Để hồn thiện chương trình và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp, tác giả đã
nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của các q Thầy, Cơ của Viện Kỹ
thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là các Thầy, Cô của Bộ môn
Máy và Thiết bị Cơng nghiệp Hóa chất.
Với đề tài " Nghiên cứu động học của phản ứng khí hóa cacbon bằng hơi
nước trong công nghiệp sản xuất đạm Ure ", tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy
giáo hướng dẫn TS. Phạm Ngọc Anh đã giành thời gian và tâm huyết để hướng
dẫn tác giả thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này.
Đồng thời tác giả xin cảm ơn các Thầy, Cơ của Viện Kỹ thuật Hóa học đặc
biệt là các thầy cô đã dạy và hướng dẫn tác giả trong thời gian tác giả học tại
trường, đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả học tập và hoàn thiện tốt khóa học.
Tác giả xin cảm ơn gia đình và các bạn trong lớp 14B-KTHH đã tạo điều
kiện, giúp đỡ tác giả trong q trình học tập và hồn thành tốt luận văn.
Tác giả:

Nguyễn Trường Giang

1


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không
trùng lặp với các đề tài khác, trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong luận văn.
Tác giả

Nguyễn Trường Giang

2


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................8
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................9
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẠM URE ...........................................................12
1.1. Lịch sử phát triển. ..............................................................................................12
1.2. Tính chất.............................................................................................................12
1.2.1. Tính chất vật lý................................................................................................12
1.2.2. Tính chất hóa học ............................................................................................14
1.3. Ứng dụng. ...........................................................................................................16
1.3.1 Trong cơng nghiệp . ........................................................................................16
1.3.2 Sử dụng trong phịng thí nghiệm.....................................................................18

1.3.3 Sử dụng y học..................................................................................................18
1.3.3.1 Thuốc: ...........................................................................................................18
1.3.4 Sử dụng trong chẩn đoán khác ........................................................................18
1.4. Những nét nổi bật về phân Urê. ........................................................................19
1.4.1 Ưu điểm của Urê. .............................................................................................19
1.4.2 Cách sử dụng phân urê hiệu quả nhất ..............................................................20
1.4.3 Phân đạm ure cần thiết cho cây trồng: .............................................................21
1.5. Thị trường Urê trên thế giới và Việt Nam .........................................................22
3


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
1.5.1 Nhu cầu và khả năng đáp ứng phân urê tại Việt Nam ....................................22
1.5.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ urê trên thế giới ..............................................22
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ HÓA THAN VÀ ĐỘNG HỌC PHẢN
ỨNG ..........................................................................................................................24
2.1. Tổng quan về khí hóa than: ................................................................................24
2.1.1. Phân loại cơng nghệ. .......................................................................................24
2.1.2. Những thông số đặc trưng của than, dùng trong công nghệ khí hóa. .............30
2.1.3. Cơng nghệ chuẩn bị ngun liệu cho tổng hợp NH3 từ khí hóa than: ............32
2.1.4. Những phản ứng cơ bản trong q trình khí hóa than ....................................33
2.1.5. Khí hóa than lý tưởng......................................................................................35
2.2. Ngun lý hóa lý của q trình khí hóa .............................................................36
2.2.1. Vấn đề cân bằng của phản ứng. ......................................................................36
2.2.2. Vấn đề động học của phản ứng. ......................................................................40
2.2.2.1. Phản ứng than với oxy. ................................................................................40
2.2.2.2. Phản ứng than với hơi nước. ........................................................................41
2.2.2.3. Phản ứng than với CO2.................................................................................41
2.2.2.4. Phản ứng giữa than với hydro ......................................................................42
2.2.2.5. Phản ứng CO với hơi nước. .........................................................................42

2.2.2.6. Phản ứng metan với hơi nước. .....................................................................43
CHƯƠNG 3 : MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN TRONG THIẾT
BỊ KHÍ HĨA SHELL................................................................................................44
3.1. Các phản ứng trong lị khí hóa than Shell (SCGP): ...........................................45
3.2 Tính tốn các thơng số và thiết lập mơ hình động học: ......................................47
3.2.1.Cân bằng chất: ..................................................................................................49
3.2.2.Cân bằng nhiệt: ................................................................................................50
3.3. Phát triển mơ hình khí hóa: ................................................................................57
4


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
3.4. Kết quả và thảo luận:..........................................................................................64
3.4.1. Kiểm định mơ hình: ........................................................................................64
3.4.2 Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ oxy/than đến các thông số khí hóa. .................69
3.4.3.Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước với than đến các thơng số khí hóa ....71
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH KIỂM TRA LỊ KHÍ HĨA CACBON. .............74
4.1. Tính tốn độ chuyển hóa cacbon trong lị khí hóa: ............................................76
4.2. Thành phần khí tổng hợp của lị khí hóa than Shell: .........................................78
4.3. Thể tích lị khí hóa than Shell: ...........................................................................79
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ........................................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................82

5


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
HCTG

Hợp chất trung gian

FAO

Tổ chức lương thực và nơng nghiệp liên hợp quốc

Shell

lị khí hóa than cám của hãng Shell

ĐHB

Cơng ty cổ phần Phân đạm và hóa chất Hà Bắc

hh

Hỗn hợp

kk

Khơng khí

kth

Khí tổng hợp

n

Nước

nl

Ngun liệu

nlv

Ngun liệu vào

p/u

Phản ứng

tt

Tổn thất

ash

Tro

At

Diện tích mặt cắt ngang lị khí hóa (cm2)

Cpg, Cpc

Nhiệt dung riêng của khí và rắn tương ứng (cal/g.K)

CD

Hệ số ma sát

Cn

Nồng độ trong khoang thứ n

dp

Đường kính hạt (cm)

D

Vận tơc khuyếch tán (cm/s2)

e

độ phát xạ của khí

fs

Lực ma sát chất rắn

Fw

Yếu tố điều chỉnh phản ứng chuyển đổi khí nước

6

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
g

Gia tốc trọng trường (cm/s2)

hc

Hệ số truyền nhiệt đối lưu giữa khí và rắn (cal/ cm2.K.s)

Hloss,g-w

Nhiệt trao đổi giữa khí và lị phản ứng (cal/ cm.s)

∆Hk

Nhiệt của phản ứng thứ k (cal/g)

Ks

Hằng số phản ứng

ɛ

Khối lượng pha rắn

ɛ1

Khối lượng tro

µg

Độ nhớt của khí

ρc , ρ g

Khối lượng riêng của rắn và khí (g/ cm3)

ɼ

Năng suất than (g/s. cm3)

σ

Hằng số Stefan-Boltzmann (col/ cm2.s.K4)

i

Điều kiện đầu vào

j, k

Phản ứng trong pha rắn và khí

l

Thành phần khí

Ks

Hằng số phản ứng bề mặt (g/cm2.atm.s)

Kdiff

Hằng số khuếch tán khí (g/cm2.atm.s)

7


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
2.1 Sơ đồ thể hiện nguyên liệu và các sản phẩm của q trình khí hóa

25

2.2 Xu hướng phát triển của cơng nghiệp khí hóa than

25

2.3 Biểu đồ thể hiện nhu cầu sử dụng khí than.

26

2.4 Các chỉ số cho biết thành phần % chất bốc - theo tổng số gốc cháy

32

2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất tới nồng độ CO ở trạng thái cân bằng

38

3.1 Sơ đồ cơng nghệ khí hóa than Shell (Shell Coal Gasification Process)

44

3.2 Cơ chế phản ứng khí hóa than Shell

46

3.3 Cân bằng trong các phản ứng khí hóa than Shell

47

3.4 Cơ sở tính tốn cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng lị khí hóa

48

3.5 Ảnh hưởng của lưu lượng hơi nước, lưu lượng Oxy tới thành phần khí
tổng hợp và nhiệt lượng

54

3.6 Ảnh hưởng của độ chuyển hóa đến hiệu suất khí hóa, thành phần khí tổng
hợp và nhiệt lượng

55

3.7 Ảnh hưởng của lưu lượng Oxy, lưu lượng hơi nước tới hiệu suất khí hóa,
thành phần khí tổng hợp và nhiệt lượng

57

3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa tới hiệu suất và năng suất khí tổng hợp

65

3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa tới thành phần khí tổng hợp

66

3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ O2/ Than tới hiệu suất và năng suất khí tổng hợp

66

3.11 Ảnh hưởng của O2/ Than tới thành phần khí tổng hợp

67

3.12 Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước tới hiệu suất và năng suất khí tổng hợp

68

3.13 Ảnh hưởng hơi nước tới thành phần khí tổng hợp

69

3.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ oxy/than đến độ chuyển hóa carbon

70

3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ oxy/than đến thành phần của sản phẩm khí

71

3.16 Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước với than đến độ chuyển hóa carbon

72

3.17 Ảnh hưởng của hơi nước đến thành phần khí sản phẩm

72

4.1 Sơ đồ sản xuất đạm từ than của dây chuyền mới ( dây chuyền 2) ĐHB

74

8


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

DANH MỤC BẢNG
Trang
1.1: Thành phần đặc tính của urê

13

1.2 : Tỷ lệ % lượng urê mất đi do sự bay hơi khí ammonia theo nhiệt độ đất

20

1.3 : Tỷ lệ % lượng urê mất đi do sự bay hơi ammonia theo độ pH của đất

21

1.4: Tiêu thụ phân bón tồn cầu 2007/08 đến 2011/12

21

1.5: Nhóm 10 nước tiêu thụ phân bón lớn nhất tồn cầu 2011/2012

23

2.1: Cơng thức tính Kp của một số phản ứng.

40

3.1: Nhiệt trị và emtanpi các chất khí hóa

51

3.2: Dữ liệu than Quảng Ninh sử dụng cho nghiên cứu

70

4.1: Kết quả phân tích thành phần than Quảng Ninh tại Cơng ty ĐHB

76

4.2: Kết quả phân tích thành phần xỉ tại Cơng ty ĐHB

77

4.3: Thành phần các khí trong khí than tổng hợp

78

4.4 : Các nguyên liệu và sản phẩm lị khí hóa than Shell:.

79

9


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Khí hóa than là phương pháp tồn diện và sạch nhất để chuyển hóa than, một
nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có với trữ lượng khổng lồ ở nhiều nơi trên thế giới,
thành các nguyên liệu hoá chất quan trọng như CO, H2, và các dạng năng lượng như
nhiệt năng, điện năng. Cơng nghệ khí hóa than cịn mang lại ích lợi lớn về mặt mơi
trường trong việc sử dụng than, nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất gây ơ
nhiễm trong khí than. Ví dụ, lưu huỳnh trong than có thể được chuyển thành dạng
H2S và được thu giữ hoặc chuyển hóa thành lưu huỳnh thương phẩm. Tương tự,
Nitơ có trong khí than sẽ được chuyển hóa thành Amoniac và chất này có thể được
dùng để sản xuất phân bón hoặc các hố chất khác.
Chính vì vậy, để nâng cao năng suất, ta cần phải nghiên cứu động học của
phản ứng khí hóa than, đặc biệt là phản ứng khí hóa cacbon bằng hơi nước với

những ưu điểm của nó. Trên hết, từ việc tìm ra mơ hình động học của phản ứng, ta
có thể ứng dụng để tính kiểm tra lị khí hóa than trong cơng nghiệp sản xuất đạm
ure cụ thể tại Cơng ty cổ phần Phân đạm và hóa chất Hà Bắc.
2. Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về động học phản ứng khí hóa cacbon bằng
hơi nước, xây dựng mơ hình động học của phản ứng và ứng dụng để kiểm tra lị khí
hố cacbon.
3. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Cơ sở khoa học của đề tài: tiến hành các nghiên cứu động học của phản ứng
khí hóa cacbon bằng hơi nước: C + H2O.
Ý nghĩa thực tiễn: trên cơ sở các nghiên cứu động học của phản ứng khí hóa
carbon bằng hơi nước xây dựng mơ hình động học của phản ứng và ứng dụng để
tính kiểm tra lị khí hóa than trong cơng nghiệp sản xuất đạm ure.

10


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
4. Nội dung đề tài
Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết: trên cơ sở nghiên cứu lý
thuyết về động học phản ứng khí hóa cacbon bằng hơi nước, từ đó xây dựng mơ
hình động học của phản ứng khí hóa cacbon bằng hơi nước, ứng dụng kiểm tra lị
khí hố cacbon, cuối cùng phân tích và thảo luận các kết quả đạt được.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan về đạm Ure.
- Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về động học phản ứng khí hóa cacbon
bằng hơi nước.
- Chương 3: Mơ hình hóa q trình khí hóa than trong thiết bị khí hóa Shell
- Chương 4: Ứng dụng tính kiểm tra lị khí hóa cacbon.

- Chương 5: Kết luận

11


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẠM URE
1.1. Lịch sử phát triển.
Urê được Hilaire Rouelle phát hiện vào năm 1773 và được Friedrich
Woehler tổng hợp lần đầu tiên từ ammonium sulfate (NH4)2SO4 và potassium
cyanate KOCN vào năm 1828. Đây là quá trình tổng hợp lần đầu một hợp chất hữu
cơ từ các chất vô cơ và nó đã giải quyết được một vấn đề quan trọng của một học
thuyết sức sống.
Năm 1870, urê đã được sản xuất bằng cách đốt nóng cácbamatamơn trong
một ống bịt kín. Điều này là nền tảng cho cơng nghệ sản xuất urê công nghiệp sau
này.
Cho tới những năm đầu thế kỷ 20 thì urê mới được sản xuất trên quy mô
công nghiệp nhưng ở mức sản lượng nhỏ. Sau đại chiến thế giới thứ II, nhiều nước
và hãng đã đi sâu cải tiến quy trình cơng nghệ để sản xuất urê. Những hãng đứng
đầu về cung cấp chuyển giao công nghệ sản xuất urê trên thế giới như: Stamicarbon
(Hà Lan), Snamprogetti (Italia), TEC (Nhật Bản)…Các hãng này đưa ra cơng nghệ
sản xuất urê tiên tiến, mức tiêu phí năng lượng cho một tấn sản phẩm urê rất thấp.
1.2. Tính chất
1.2.1. Tính chất vật lý
Urê có cơng thức phân tử là CON2H4 hoặc (NH2)2CO.

Tên quốc tế là Diaminomethanal. Ngoài ra urê còn được biết với tên là
carbamide, carbonyl diamide. Urê màu trắng, dễ hòa tan trong nước, ở trạng thái
tinh khiết nhất urê không mùi.

12


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
Bảng 1.1: Thành phần đặc tính của urê
Tên thành phần

Giá trị

Tỉ trọng d, g/ cm3

1,33

Phân tử gam, g/mol

60
Dạng kim, lăng trụ, tứ giác

Dạng tinh thể và dạng bề ngồi
Điểm nóng chảy, 0C

133

Độ hịa tan trong nước ở 200C

108g/100ml
81% (200C)

Độ ẩm tương đối

73% (300C)
Hàm lượng Nito

46,6% N

Tính chất hút ẩm, kết tảng của Urê
Urê là chất dễ hút ẩm từ môi trường xung quanh tại một nhiệt độ nhất định
ứng với áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường lớn hơn áp suất hơi nước
trên bề mặt urê. Urê sẽ hút ẩm khi độ ẩm môi trường xung quanh lớn hơn 70%,
nhiệt độ 10-400C.
Urê thường bị hút ẩm do hàm ẩm trong khơng khí cao, đặc biệt vào ngày hè,
tiết trời ẩm thấp. Để hạn chế việc hút ẩm, urê thường được đóng trong các bao PP,
PE hoặc trong bao giấy nhiều lớp.
Qua nghiên cứu và thực tế, người ta đã xác định các nguyên nhân chủ yếu
gây kết tảng urê sản phẩm:
•

Hàm ẩm trong dung dịch Urê đi tạo hạt cịn cao.

•

Hạt urê xốp, rỗng, dễ vỡ, cường độ cơ giới thấp.

•

Bảo quản urê ở nơi có độ ẩm khơng khí cao, urê bị hút ẩm.
13


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

•

Sản phẩm urê có kích cỡ khơng đồng đều, nhiều bụi và mảnh vỡ tạo

cho các hạt urê có mối liên kết hàn bền vững do bụi và mảnh vỡ điền vào không
gian giữa các hạt urê.
Để chống kết tảng hạt urê, người ta áp dụng một số biện pháp sau:
•

Bọc urê bởi một lớp paraffin mỏng ngăn chặn hút ẩm.

•

Sử dụng bột trợ dung đưa vào dung dịch urê trước khi tạo hạt, tăng

cường lực cơ giới của hạt và hạn chế hút ẩm.
•

Tiêm fomanđêhyt hoặc urê fomanđêhyt vào dịng dung dịch urê trước

hoặc sau hệ thống cơ đặc.
•

Tạo urê hạt to trên một hệ thống tạo hạt tầng sôi thùng quay, làm giảm

bề mặt riêng tiếp xúc khơng khí của hạt urê, độ bền vững cơ giới cao.
1.2.2. Tính chất hóa học
Hịa tan trong nước, nó thủy phân rất chậm để tạo thành cacbamat amôn cuối
cùng phân hủy thành amoniac và điôxit cacbon. Phản ứng này là cơ sở để sử dụng
urê làm phân bón.

Trong mơi trường đất ẩm :
𝑢𝑟𝑒𝑎𝑠𝑒

(NH2)2CO + 3H2O →

CO2 + 2NH4OH

Trong khơng khí ẩm:
2NO + (NH2)2CO + ½O2 = 2N2+ H2O + CO2
Về mặt thương mại, urê được sản xuất ra bằng cách loại nước trực tiếp
cacbamat amôn NH2COONH4 ở mức áp suất và nhiệt độ cao. Người ta thu được
cacbamat amôn bằng cách cho phản ứng trực tiếp NH3 với CO2. Hai phản ứng được
tiến hành liên tục trong tháp tổng hợp cao áp.
Ở điều kiện áp suất thường và tại điểm nóng chảy của nó, urê phân hủy thành
amoniac, biuret(1), acid cyanuric (qv) (2), ammelide (3) và triuret (4). Biuret là sản
phẩm phụ bất đắc dĩ chủ yếu có trong urê. Nếu trong sản phẩm đạm Urê cấp phân
bón mà hàm lượng biuret vượt quá 2% trọng lượng sẽ gây độc hại đối với cây trồng.
14


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

Urê đóng vai trò như một chất cơ sở đơn và tạo ra các muối có các acid.
Cùng với acid nitric nó tạo ra nitrat urê CO(NH2)2.HNO3 và phân hủy nổ khi bị đốt
nóng. Urê cứng ổn định ở nhiệt độ phịng và ở điều kiện thường áp. Đốt nóng ở điều
kiện chân khơng và tại điểm nóng chảy thì nó sẽ thăng hoa mà không hề thay đổi.
Trong môi trường chân không ở nhiệt độ 180-1900C, urê sẽ thăng hoa và chuyển
hóa thành xianua amôn NH4OCN (5). Khi urê cứng được đốt nóng nhanh trong
dịng khí amoniac ở mức nhiệt độ nâng và tăng khoảng vài trăm kPa (vài at.) thì nó
sẽ thăng hoa hoàn toàn và phân hủy từng phần thành acid cyanic HNCO và xianua

amơn. Urê cứng hịa tan trong NH3 lỏng và hình thành hợp chất urê-amoniac hỗn
hợp khơng ổn định CO(NH2)2NH3 phân hủy ở 450C. Urê-Amoniac tạo ra các muối
với các chất kim loại kiềm như NH2COHNM hoặc CO(NHM)2. Việc chuyển hóa
urê thành biuret được xúc tiến ở điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao và gia nhiệt
kéo dài. Ở điều kiện áp suất thấp 10-20 MPa (100-200 atm), khi đốt nóng cùng với
NH3 biuret sẽ tạo thành urê.
Urê phản ứng với nitrat bạc AgNO3 với sự có mặt của hydroxid natri NaOH,
sẽ tạo thành chất dẫn xuất (5) màu vàng nhạt. Hydroxid natri xúc tiến làm thay đổi
urê sang dạng imit (6).

Sau đó phản ứng với nitrat bạc. Các tác nhân oxi hóa với sự có mặt của natri
hydroxidsẽ chuyển hóa urê thành nitơ và dioxid cacbon. Chất sau tức là CO2 phản

15


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
ứng với hydroxid natri để tạo thành cacbonat natri (8):
NH2CONH2 + 2NaOH + 3NaOBr → N2 + 3NaBr + Na2CO3 + 3H2O
Phản ứng urê với các loại rượu sinh ra các chất este acidcacbamic thường
được gọi là urêthan:

Urê phản ứng với foocmandêhyd và tạo thành các hợp chất như
monomethylolurea

công

thức:

NH2CONHCH2OH,

dimethylolurea

HOCH2NHCONHCH2OH và các hợp chất khác phụ thuộc vào tỷ lệ mol của
fomanđêhyt đối với urê và dựa vào độ pH của dung dịch. Peroxyd hydro và urê là
loại sản phẩm dạng bột tinh thể màu trắng. Peroxyd urê CO(NH)2.H2O2 được người
ta biết đến với tên gọi thương phẩm là Hypersol đây là chất tác nhân oxi hóa. Urê
và acid malonic phản ứng cho ra đời chất acid barbituric (7), một hợp chất chủ yếu
trong ngành hóa dược

1.3. Ứng dụng.
1.3.1 Trong cơng nghiệp.
Urê được dùng làm phân bón, kích thích sinh trưởng, giúp cây phát triển
mạnh, thích hợp với ruộng nước, cây , rau xanh, lúa… Urê cứng có chứa 0,8 ÷ 2,0%
biuret được bón trực tiếp cho đất dưới dạng nitơ. Các loại dịch urê loãng hàm lượng
biuret thấp (tối đa 0,3% biuret) được dùng bón cho cây trồng dưới dạng phân bón
lá.

16


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
Trộn lẫn với các chất phụ gia khác urê sẽ được dùng trong nhiều loại phân
bón rắn có các dạng cơng thức khác nhau như photphat urê amôn (UAP); sunphat
amôn urê (UAS) và urê phophat (urê + acid photyphoric), các dung dịch urê nồng
độ thuộc nitrat amơn urê (UAN) (80-85%) có hàm lượng nitơ cao nhưng điểm kết
tinh lại thấp phù hợp cho việc vận chuyển lưu thông phân phối bằng hệ thống ống
dẫn hay phun bón trực tiếp.
Là chất bổ sung vào thức ăn cho động vật, cung cấp một nguồn đạm cố
định tương đối rẻ tiền để giúp cho sự tăng trưởng.

Urê được dùng để sản xuất lisin (acid amino) được dùng thông dụng trong
ngành chăn nuôi gia cầm.
Các loại nhựa urê được polyme hóa từng phần để dùng cho ngành cơng
nghiệp dệt có tác dụng làm phân bố đều các thành phần ép của các chất sợi
Nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa urê-fomanđêhyt. Urê
(cùng với Amoniac) phân hủy ở nhiệt độ và áp suất cao để sản xuất các loại nhựa
melamin.
Là chất thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay sương muối
của lịng đường hay đường băng sân bay. Nó khơng gây ra hiện tượng ăn mòn kim
loại như muối.
Là một thành phần bổ sung trong thuốc lá, được thêm vào để tăng hương vị.
Đôi khi được sử dụng như là chất tạo màu nâu vàng trong các xí nghiệp sản
xuất bánh quy.
Được dùng trong một số ngành sản xuất thuốc trừ sâu.
Là một thành phần của một số dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước
thơm.
Nó cũng được sử dụng như là chất phản ứng trong một số gạc lạnh sử dụng
để sơ cứu, do phản ứng thu nhiệt tạo ra khi trộn nó với nước.
17


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
Thành phần hoạt hóa để xử lý khói thải từ động cơ diesel.
1.3.2 Sử dụng trong phịng thí nghiệm
Urê là một chất biến tính prơtêin mạnh. Thuộc tính này có thể khai thác để
làm tăng độ hịa tan của một số prơtêin. Vì tính chất này, nó được sử dụng trong các
dung dịch đặc tới 10M.
1.3.3 Sử dụng y học
1.3.3.1 Thuốc:
Urê được sử dụng trong các sản phẩm da liễu cục bộ để giúp cho q trình

tái hiđrat hóa của da.
1.3.3.2 Chẩn đốn sinh lý học
Do urê được sản xuất và bài tiết khỏi cơ thể với một tốc độ gần như không
đổi, nồng độ urê cao trong máu chỉ ra vấn đề với sự bài tiết nó hoặc trong một số
trường hợp nào đó là sự sản xuất quá nhiều urê trong cơ thể.
Nồng độ urê cũng có thể tăng trong một số rối loạn máu ác tính (ví dụ bệnh
bạch cầu và bệnh Kahler).
Nồng độ cao của urê (uremia )có thể sinh ra các rối loạn thần kinh (bệnh
não). Thời gian dài bị uremia có thể làm đổi màu da sang màu xám.
1.3.4 Sử dụng trong chẩn đoán khác
Các loại urê chứa cacbon 14 - đồng vị phóng xạ, hay cacbon 13 - đồng vị ổn
định được sử dụng trong xét nghiệm thở urê, được sử dụng để phát hiện sự tồn tại
của Helicobacter pylori (H. pylori, một loại vi khuẩn) trong dạ dày và tá tràng
người. Xét nghiệm này phát hiện enzym urease đặc trưng, được H. pylori sản xuất
ra theo phản ứng để tạo ra amôniắc từ urê để làm giảm độ pH của môi trường trong
dạ dày xung quanh vi khuẩn.
Các loài vi khuẩn tương tự như H. pylori cũng có thể được xác định bằng

18


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
cùng một phương pháp xét nghiệm đối với động vật (khỉ, chó, mèo - bao gồm cả
các loại "mèo lớn" như hổ, báo, sư tử v.v).

1.4. Những nét nổi bật về phân Urê.
Trong số các sản phẩm hoá học được sử dụng phổ biến làm nguồn cung cấp
phân đạm cho cây trồng như: Sulphur Ammonium (SA), Nitrat Ammonium
(NH4NO3), urê… thì urê được sử dụng nhiều hơn cả vì những đặc tính vượt trội của
nó về mọi phương diện.

Bằng chứng là sản lượng tiêu thụ urê (trên toàn thế giới)
Năm

1973

1997

2003

2007

8,3

37,6

50

116,7

Tiêu thụ
(Triệu tấn)

1.4.1 Ưu điểm của Urê.
Urê có thể được dùng bón cho cây trồng dưới dạng rắn, dạng lỏng tưới gốc
hoặc sử dụng như phân phun qua lá đối với một số loại cây trồng.
Khi sử dụng urê không gây hiện tượng cháy nổ nguy hiểm cho người sử
dụng và môi trường chung quanh (Nitrat Ammonium rất dễ gây cháy nổ).
Với hàm lượng đạm cao, 46%, sử dụng urê giảm bớt được chi phí vận
chuyển, công lao động và kho bãi tồn trữ so với các sản phẩm cung cấp đạm khác.
Việc sản xuất urê thải ra ít chất độc hại cho mơi trường.

Khi được sử dụng đúng cách, urê làm gia tăng năng suất nông sản tương
đương với các loại sản phẩm cung cấp đạm khác.

19


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
1.4.2 Cách sử dụng phân urê hiệu quả nhất
Nitrogen có thể bị mất đến 65% vào bầu khí quyển dưới dạng NH3 hoặc rửa
trôi và ngấm xuống đất dưới dạng NO3 nếu phân urê được bón bằng cách trải trên
mặt đất và để n đó đến 24 giờ trong điều kiện khơng khí nóng và ẩm. Những cách
làm gia tăng hiệu qủa của việc sử dụng urê là bón trộn vào đất trong giai đoạn
chuẩn bị đất trồng, pha với nước trong hệ thống tưới tiêu hoặc tưới nước ngay sau
khi bón với lượng nước tương đương một trận mưa khoảng 6,5mm nước đủ để hòa
tan urê và đưa chúng ngấm xuống đến vùng không xảy ra hiện tượng mất đạm do
bốc hơi ammonia.
Sự thất thoát đạm liên quan tới nhiệt độ và độ pH của đất. Sự thất thoát
Nitrogen trong urê tùy thuộc rất lớn vào nhiệt độ và độ pH của đất. Bảng I.1 và I.2
dưới đây nói lên sự thất thốt đạm dưới dạng khí ammonia khi bón urê bằng cách
trải lên bề mặt đất:
Nhiệt độ đất
Thời gian

7oC

15oC

25oC

32oC

0

0

0

0

0

2

0

0

1

2

4

2

2

4

5

6

5

6

7

10

8

5

7

12

19

10

6

10

14

20

(Ngày)

Bảng 1.2 : Tỷ lệ % lượng urê mất đi do sự bay hơi khí ammonia theo nhiệt độ đất

20


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
Độ pH của đất
Thời

gian

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

0

0

0

0

0

0

0

2

0

0

0

0

1

5

4

1

2

5

10

18

20

6

4

5

7

11

23

30

8

8

9

12

18

30

33

10

8

10

13

22

40

44

(Ngày)

Bảng 1.3 : Tỷ lệ % lượng urê mất đi do sự bay hơi ammonia theo độ pH của đất
Ngày nay khoa học đang nghiên cứu sử dụng phân đạm dạng nhũ tương, tức
là không tưới phân trên mặt như hiện nay nữa mà sẽ đưa xuống dưới phần gốc cây
sau đó cây sẽ hấp thụ đạm một cách từ từ. Cách làm này nếu thực hiện tốt sẽ là một
bước tiến dài trong lĩnh vực nông nghiệp.
1.4.3 Phân đạm ure cần thiết cho cây trồng:
Trong quá trình phát triển của cây từ nảy mầm, đâm chồi nảy lộc đến sinh
trưởng và phát triển thì cây cần hấp thụ một lượng chất dinh dưỡng nào đó đủ để

phát triển. Những chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng được chia thành 3 nhóm
chính
•

Nhóm dinh dưỡng chính (dinh dưỡng đa lượng): Gồm các chất mà

cây (thực vật) cần một lượng lớn để phát triển gồm có: đạm (Nitơ), lân (photpho) và
kali (K).
•

Dinh dưỡng trung lượng: Canxi (Ca), Magiê (Mg), lưu huỳnh (S).

•

Dinh dưỡng vi lượng: Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Bor (B),

Molypden (Mo)…

21


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
Trong đó, đạm là yếu tố quan trọng nhất giúp cây phát triển tốt, nhiều cành,
thân chắc khoẻ…Urê chứa hàm lượng đạm cao nhất (46-48%) và lẫn ít tạp chất nên
được lựa chọn và sử dụng.

1.5. Thị trường Urê trên thế giới và Việt Nam
1.5.1 Nhu cầu và khả năng đáp ứng phân urê tại Việt Nam
Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, nhu cầu urê năm 2006 cả
nước cần 1.800.000 tấn. Trong nước sản xuất đáp ứng hơn 45%, sản lượng ước đạt

830.000 tấn, tăng 2,7% so với năm 2005, nhập khẩu dự tính khoảng 1.000.000 tấn,
giảm 6% so với năm 2005. Dự báo năm 2007, nhu cầu phân bón các loại khoảng
7,05 triệu tấn. Trong đó, urê khoảng 1,8 triệu tấn. Sản xuất trong nước khoảng 4,7
triệu tấn, nhập khẩu 3,5 triệu tấn.
Năm 2007, kế hoạch sản xuất của 2 nhà máy phân đạm Phú Mỹ và Hà Bắc
khoảng 900.000 tấn, tăng 8,4% so với 2006, nhập khẩu khoảng 900.000 tấn, giảm
10% so với 2006. Nhà máy Đạm Cà Mau hoạt động với công suất 2350 tấn/ngày sẽ
cung cấp cho thị trường 800.000tấn urê/năm.
Năm 2011 thêm nhà máy Đạm Ninh Bình cơng suất 560.000 tấn urê/năm.
Như vậy cả nước sẽ có 4 nhà máy Đạm cung cấp trên 2 triệu tấn urê/năm đủ đáp
ứng nhu cầu urê trong nước và suất khẩu.
1.5.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ urê trên thế giới.
Tiêu thụ phân bón có liên quan chặt đến sản xuất nông nghiệp. Nếu như sản
xuất thuận lợi, kinh tế và thị trường phát triển thì nhu cầu phân bón tăng cao. Chính
vì vậy, trong một số giai đoạn tình hình kinh tế thế giới bất ổn, sản xuất khủng
hoảng sẽ kéo sản xuất và tiêu thụ phân bón giảm xuống. Theo FAO (2008), dự báo
nhu cầu phân bón trong các năm 2008-2009 sẽ tăng 1,9% trong đó đạm tăng 1,4%,
lân tăng 2,0% và kali tăng 2,4% nhưng thực tế thì trong giai đoạn này lượng phân
bón tiêu thụ toàn cầu lại giảm mạnh, cùng với khủng khoảng kinh tế tại nhiều nước.
Mức tiêu thụ phân bón đạt gần 173 triệu vào năm 2007, sau đó giảm mạnh xuống

22