Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính toán và mô hình hóa thiết bị phản ứng trong dây chuyền sản xuất DAP
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.68 MB, 104 trang )
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 do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Quang Thành
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, tính tốn và mơ hình hóa thiết bị phản ứng
trong dây chuyền sản xuất DAP
Chuyên ngành: Máy và thiết bị hóa chất – dầu khí
Mã số SV: CB140075
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 14/10/2017 với các nội dung sau:
- Chỉnh sửa lại các lỗi chính tả.
- Chỉnh sửa lại cách ghi tài liệu tham khảo.
- Chỉnh sửa lại công thức số (1.24) cho đúng.
Ngày
Giáo viên hướng dẫn
tháng
năm
Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
SĐH.QT9.BM11
Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nên trong Luận văn là trung thực và
chưa được ai cơng bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác. Trừ các phần tham
khảo được nêu rõ trong Luận văn.
Tác giả
Nguyễn Quang Thành
-
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện Luận văn này, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ hỗ
trợ của thầy cơ, bạn bè và gia đình. Luận văn này được thực hiện và hồn thành tại
Bộ mơn Máy và 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 đã định hướng, trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, khuyến khích, giúp đỡ tạo mọi
điều kiện thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận văn này. Thầy không chỉ là một
người thầy, mà còn là một nhà khoa học, một đồng nghiệp mà tác giả suốt đời biết
ơn và ngưỡng mộ.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ mơn Máy và Thiết bị
Cơng nghiệp Hóa chất, cùng tồn thể bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, ủng hộ trong
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 ........................................................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................................................8
CHƯƠNG 1 ....................................................................................................................................................9
TỔNG QUAN VỀ PHÂN BĨN DAP ............................................................................................................9
1.1.
Định nghĩa về phân bón ..................................................................................................................9
1.2.
Sơ lược về phân bón DAP...............................................................................................................9
1.2.1.
Định nghĩa ...............................................................................................................................9
1.2.2.
Cơng dụng chính ...................................................................................................................10
1.2.3.
Ngun liệu sản xuất. ............................................................................................................10
1.2.4.
Cơ sở hóa học........................................................................................................................11
1.3.
Cơng nghệ sản xuất DAP trên thế giới..........................................................................................12
1.3.1.
Các q trình trong cơng nghệ sản xuất DAP .......................................................................12
1.3.2.
Các cơng đoạn chính trong sản xuất DAP ............................................................................12
CHƯƠNG 2 ..................................................................................................................................................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 cơ bản về 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 của chất i ......................................................................................................15
2.2.4.
Độ chọn lọc đối với sản phẩm i ............................................................................................16
2.2.5.
Điều kiện phản ứng ...............................................................................................................16
2.2.6.
Phân loại TBPƯ ....................................................................................................................17
2.2.7.
Ứng dụng mô hình thiết bị phản ứng trong nhà máy sản xuất phân bón ..............................21
2.3.
Mơ tả khái qt về thiết bị phản ứng tiền trung hòa và phản ứng ống ..........................................21
2.3.1.
Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất DAP ....................................................................21
2.3.2.
Mô tả khái quát về thiết bị phản ứng tiền trung hòa và thiết bị phản ứng ống......................24
CHƯƠNG 3. .................................................................................................................................................28
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 1
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 bằng 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 tốn các chi tiết, phụ kiện của thiết bị phản ứng ..................................................................41
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ............................................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................................47
PHỤ LỤC 1. TÍNH TỐN CHO MỘT TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP
CƠNG SUẤT 330.000 TẤN/ NĂM .............................................................................................................49
PHỤ LỤC 2. MƠ HÌNH HÓA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ..............................................................................74
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 2
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
MỞ ĐẦU
Việt Nam có diện tích tự nhiên 331.128 km2, nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới
gió mùa. Các điều kiện tự nhiên thuận lợi cùng với nguồn nhân lực dồi dào là cơ sở ngành
nông nghiệp Việt Nam phát triển.
Ngành phân bón có vai trị rất quan trọng cho nơng nghiệp, thực tế ở Việt Nam đã có
khá nhiều nhà máy phân bón như NPK, Phân lân nung chảy, supe, đạm, DAP, ...trong đó
phân bón DAP có giá trị quan trọng do có giá trị dinh dường cao mà hiện tại việt nam
chưa khai thác hết tiềm năng.
Thiết bị phản ứng trong nhà máy DAP có giá trị quan trọng nhất trong dây chuyền
thiết bị DAP, quyết định đến năng suất chất lượng sản phẩm. Các thiết bị phản ứng thực tế
hiện nay các nhà máy không chế tạo mà lựa chọn của các hãng cung cấp. Việc nghiên cứu
tính tốn thiết bị này để đảm bảo cho việc lựa chọn nhà cung cấp phù hợp và điều chỉnh
trong quá trình vận hành để nhà máy hoạt động tốt nhất.
Sau hơn thời gian nghiên cứu nỗ lực dưới sự hướng dẫn tận tình và nghiêm khắc của
thầy T.S Vũ Hồng Thái và tồn bộ các thầy cơ giáo trong bộ mơn Máy và Thiết Bị Cơng
Nghiệp Hóa Chất Dầu Khí-Viện Kỹ Thuật Hóa Học. Và đặc biệt sự động viên, giúp đỡ
của thầy Vũ Hồng Thái đã tiếp thêm cho em động lực để hoàn thành tốt luận văn này.
Luận văn cịn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý, phê bình của các thầy cơ
trong hội đồng và bạn bè cùng lớp để em có thể rút ra được những kinh nghiệm quý báu
phục vụ cho quá trình làm việc sau này.
Một lần nữa em xin chân thành cản ơn thầy cô và các bạn đã giúp đỡ em hoàn thành
đồ án này.
Hà Nội, Ngày.... tháng... năm 2017.
Học viên
Nguyễn Quang Thành
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 3
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
1
Ri
Vận tốc phản ứng chuyển hố chất i
2
Xi
Độ chuyển hóa của chất i
3
Ci0
Nồng độ chất phản ứng i đi vào
mol/l
4
Ci1
Nồng độ chất phản ứng i đi ra
mol/l
5
Si
Độ chọn lọc với sản phẩm i
6
Ci
Nồng độ của sản phẩm i trong hỗn hợp phản
ứng
7
tTB
Thời gian lưu trung bình
8
VR
Thể tích TBPƯ
9
FV
Lưu lượng của 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 của phản ứng
K
14
CA
Nhiệt dung riêng của môi chất A
15
Qe
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường
kJ/h
16
Qt
Nhiệt lượng tỏa ra
kJ/h
17
mi
Khối lượng NH3 tiêu tốn cho phản ứng i
kg/h
18
Δhi
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng i
19
Qgn
Nhiệt lượng cần cấp thêm
kJ/h
20
QLP
Nhiệt lượng hơi thấp áp
kJ/h
21
CLP
Nhiệt dung riêng của hơi thấp áp
kJ/Kg.độ
22
tLP
Nhiệt độ hơi của hơi thấp áp vào
K
23
Mv
Tổng khối lượng môi chất vào
kg/h
24
Mr
Tổng khối lượng môi chất ra
kg/h
25
Ml
Tổng khối lượng lưu trong thiết bị
kg/h
HVTH: Nguyễn Quang Thành
mol/l.s
mol/l
h
m3
kJ/Kg.độ
kJ/kgNH3
Trang 4
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 và 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 hơi thấp áp
kg/h
34
Mbra
Tổng khối lượng bùn ra
kg/h
35
Mkra
Tổng khối lượng khí ra
kg/h
36
ρ
Khối lượng riêng trung bình của lưu thể vào
kg/m3
37
V′
Lưu lượng thể tích của lưu thể
m3/h
38
τi
Thời gian phản ứng (i) diễn ra
h
39
ki
Hằng số tốc độ phản ứng của 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 hơi trung áp vào
50
Vđpu
Thể tích đầu thiết bị phản ứng
m3
51
D
Đường kính một đoạn thiết bị
m
52
L
Chiều dài một đoạn thiết bị
m
53
S
Chiều dày thiết bị
m
HVTH: Nguyễn Quang Thành
1/h
mol/l
kg/h
Trang 5
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
STT Kí hiệu
Tên gọi
Đơn vị
54
Dt
Đường kính trong thiết bị
55
[σ]
Ứng suất cho phép
56
ϕ
Hệ số mối hàn
57
C
Hệ số dư
mm
58
C1
Độ dư ăn mòn
mm
59
C2
Độ dư gia cơng
mm
60
C3
Độ dư bào mịn
mm
61
P
Áp suất thực tế
N/m2
62
Pt
Áp suất thiết kế
N/m2
63
Plv
Áp suất làm việc
N/m2
64
Ptt
Áp suất thủy tĩnh
N/m2
65
r
Bán kính lỗ khoét trên nắp
m
66
Dđ
Đường kính đáy
m
67
P0
Áp suất thử
N/m2
68
σ
Ứng suất thử
N/m2
69
σc
Ứng suất giới hạn chảy
N/m2
70
σ0
Ứng suất do lực nén gây ra
N/m2
71
Dn
Đường kính ngồi của ống
m
72
P
Lực nén dọc trục
N
73
σth
Ứng suất tới hạn
N/cm2
74
E
Mô đun đàn hồi của vật liệu
N/cm2
75
pth
Áp suất tới hạn
N/cm2
76
Ltrụ
Chiều dài ống
m
77
dk
Đường kính cánh khuấy
m
78
b
Chiều cao cánh khuấy
m
79
h
Khoảng cách tầng dưới cánh khuấy và đáy
m
80
v
Vận tốc vịng đầu cánh
m/s
81
n
Số vịng quay thích hợp
vịng/phút
HVTH: Nguyễn Quang Thành
m
N/m2
Trang 6
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
STT Kí hiệu
Tên gọi
Đơn vị
82
N
Công suất
83
ξk
Hệ số công suất
84
Nđc
Công suất động cơ
85
dt
Đường kính trục
86
η
Hiệu suất chung
87
ηtd
Hiệu suất truyền động
88
ηđc
Hiệu suất động cơ
89
α
Hệ số cấp nhiệt
W/m2K
90
λ
Hệ số dẫn nhiệt
W/mK
HVTH: Nguyễn Quang Thành
kW
kW
m
Trang 7
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Phân bón DAP
Hình 2. Dây chuyền sản xuất DAP
Hình 3. Lưu đồ khối của cơng nghệ sản xuất
Hình 4. Minh họa một thiết bị làm việc gián đoạn
Hình 5. TBPƯ bán liên tục
Hình 6. Mơ hình đẩy lý tưởng
Hình 7. Mơ hình khuấy lý tưởng
Hình 8. Sơ đồ công nghệ sản xuất DAP
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 8
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHÂN BĨN DAP
1.1.
Định nghĩa về phân bón
Phân bón là chất bổ sung cho đất để thúc đẩy cây cối phát triển các loại chất dinh
dưỡng có trong phân bón là nitơ, phốt pho, kali và các chất dinh dưỡng khác (vi chất dinh
dưỡng) được thêm vào với những số lượng nhỏ. Phân bón thường được dùng rải trực tiếp
trên đất và cũng được phun trên lá (dinh dưỡng qua lá).
Các loại phân bón thường cung cấp, theo các thành phần tỷ lệ khác nhau:
- Ba chất dinh dưỡng cơ bản: nitơ, phốt pho, và kali.
- Ba chất dinh dưỡng hàng hai như canxi(Ca), sulfur (S), magiê (Mg).
- Và vi chất dinh dưỡng hay vi lượng khoáng: Bonron (Bo), clo (Cl), mangan (Mn),
sắt (Fe), kẽm (Zn), đồng (Cu), mô líp đen (Mo) và selen (Se).
Các chất dinh dưỡng được tiêu thụ với những số lượng lớn và hiện diện trong mô cây
với các số lượng từ 0,2% đến 4,0% (theo cơ sở trọng lượng khơ).
1.2.
Sơ lược về phân bón DAP
1.2.1. Định nghĩa
DAP: là tên viết tắt của từ tiếng anh Diammonium phosphate, có cơng thức hóa học
là (NH4)2HPO4, cug cấp 2 thành phần dinh dưỡng quan trọng nhất cho cây trồng là P2O5
và Nitơ. Do có 2 thành phần dinh dưỡng được hình thành bởi phản ứng hóa học nên tên
gọi đầy đủ là phân bón phức hợp Diamomonium phosphate. Viết tắt DAP.
Hình 1. Phân bón DAP
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 9
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
1.2.2. Công dụng chính
Thế mạnh đặc biệt của sản xuất DAP là sử dụng rất hiệu quả tài nguyên. Thường sử
dụng quặng apatit để sản xuất super lân hoặc lân nung chảy chỉ phân hủy được 50% P2O5
có trong quặng, phần cịn lại bỏ lãng phí tài nguyên. Ngược lại sử dụng apatit để sản xuất
DAP thì thu hồi được P2O5 tới 95%. Như vậy hiệu quả sử dụng tài nguyên là rõ rệt.
Cung cấp thành phần dinh dưỡng cao cho cây trồng. Thơng thường đối với phân đơn
thì thành phần dinh dưỡng cao nhất là 46% N đối với Urê; 16,5% P2O5 đối với supe lân;
phân lân nung chảy thì thấp hơn; trong khi đó phân phức hợp DAP có hàm lượng dinh
dưỡng thấp nhất là 61% (45%P2O5 và 16%N).
Cung cấp 2 thành phần dinh dưỡng thiết yếu đối với quá trình sinh trưởng của cây
trồng nên giúp cây trồng tăng trưởng và phát triển nhanh. Mặt khác, phân bón DAP sản
xuất tại VN bổ sung một khoáng chất làm chậm q trình tan trong nước nên cây trồng có
thể hấp thụ tối đa dinh dưỡng, tránh bị rửa trôi gây tổn thất.
DAP có hàm lượng dinh dưỡng cao nên DAP còn làm nguyên liệu cho sản xuất các
loại NPK từ thấp đến cao thùy theo nhu cầu từng thời điểm của cây trồng.
Giúp cứng cây, tăng sức đề kháng, hạn chế sâu bệnh, giúp cây phát triển lành mạnh
về thể chất, đặc biệt là giàu thành phần P2O5 nên cây trồng tăng sức đề kháng với thời tiết,
chịu rét tốt hơn, hạn chế sâu bệnh
DAP cung cấp đầy đủ và cân đối khoáng chất cho cây trồng đồng thời giúp cây trồng
trao đổi chất tốt với môi trường nên tăng được năng suất củ quả, tăng chất lượng nông sản.
Phân DAP phù hợp cho các loại cây trồng và thổ nhưỡng Việt Nam, khác hẳn với
phân đơn thơng thường có tính kiềm hoặc tính axit thì phân DAP được hình thành trên cơ
sở phản ứng trung hịa nên nó là trung tính tốt cho cây và khơng ảnh hưởng đến thổ
nhưỡng. Có thể bón trực tiếp cho các loại cây từ cây lương thực như lúa ngô khoai sắn đên
cây công nghiệp như cà phê, hạt tiêu, ... phù hợp với cả cây ăn quả, cây cho hoa, cây lấy
lá, cây cảnh , ...
1.2.3. Nguyên liệu sản xuất.
Nguyên liệu chính để sản xuất DAP gồm 2 thành phần chính:
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 10
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
Acid phosphoric: Thường H3PO4 đem phản ứng ở nồng độ 48% P2O5. Để sản xuất
DAP ta thường sử dụng H3PO4 được chế tạo theo phương pháp nhiệt. H3PO4 thu được
thường lẫn tạp chất do quặng mang vào, tuy nhiên không ảnh hưởng đến cây trồng.
Ammonia: Nguồn nhiên liệu NH3 thường được nhập ngoại qua cảng biển, chuyển về
các kho chứa ở dạng lỏng. Để trung hịa acid trong q trình sản xuất phải chuyển NH3
sang dạng lỏng, tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, nhiệt độ của khí NH3 được khống
chế cho phù hợp. Độ sạch NH3 lỏng càng cao thì chất lượng phân bón càng tốt.
Yêu cầu kỹ thuật cho Ammonia lỏng.
- Hàm lượng: 99,5% trọng lượng.
- Hàm lượng dầu ≤ 0,2% trọng lượng hoặc ≤ 8mg/l.
- Hàm lượng sắt ≤ 2mg/l.
- Hàm lượng nước ≤ 0,1 % trọng lượng.
Ngoài ra cịn có H2SO4
1.2.4. Cơ sở hóa học
Cơ chế dựa theo 2 phản ứng hóa học chính là phản ứng trung hoà giữa ammonia với
acid phosphoric và acid sulfuric.
H2SO4 + 2NH3(l) (NH4)2SO4 (AMS)
+ 1500 kcal/kg NH3(l).
(1)
H2SO4 + 2NH3(g) (NH4)2SO4 (AMS)
+ 1800 kcal/kg NH3(g)
(2)
H3PO4 + NH3(l) NH4H2PO4 (MAP)
+ 1200 kcal/kg NH3(l)
(3)
H3PO4 + 2NH3(g) NH4H2PO4 (MAP)
+ 1500 kcal/kg NH3(g)
(4)
+ 900 kcal/kg NH3(l)
(5)
+ 1200 kcal/kg NH3(g)
(6)
NH4H2PO4 + NH3(l)
(NH4)2HPO4
H3PO4 + NH3(g) NH4H2PO4 (MAP)
Phản ứng thứ nhất và thứ hai mạnh hơn các phản ứng cịn lại, vì ammonia có xu
hướng như sau: Đầu tiên nó sẽ phản ứng với acid sulfuric, rồi khi phản ứng trung hoà giữa
hydro của acid sulfuric đầu tiên kết thúc thì phản ứng tiếp theo mới xảy ra.
Ngồi các phản ứng chính nêu trên, những phản ứng phụ khác cũng xảy ra, giữa
ammonia, acid phosphoric và một số tạp chất. Hơn 100 sản phẩm được tạo ra từ những
phản ứng khác nhau, hàm lượng từ mức ppm đến 1% acid phosphoric.
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 11
Luận văn tốt nghiệp
1.3.
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
Công nghệ sản xuất DAP trên thế giới
Diammonium phosphate – DAP là loại phân bón phức hợp giàu dinh dưỡng, dễ hịa
tan trong nước, khơng có tạp chất làm chai cứng đất. Để sản xuất phân DAP chỉ có một
phương pháp duy nhất là phương pháp trung hịa.
Phản ứng chính được thể hiện bằng phương trình:
H3PO4 + 2NH3 → (NH4)2HPO4
(1)
Về cơng nghệ sản xuất, phần lớn các q trình cơng nghệ được phát triển bởi các nhà
bản quyền như: Cross (Tây Ban Nha), Incro (Tây Ban Nha), Uhde BmbH (Đức),
Raytheon Engineers and Constructors (Mỹ), Jacobs Engineering (Mỹ).
1.3.1. Các q trình trong cơng nghệ sản xuất DAP
Công nghệ sản xuất DAP trên thế giới hiện nay có 2 q trình chủ yếu là:
- Q trình khơ
- Q trình ướt
1.3.2. Các cơng đoạn chính trong sản xuất DAP
Đối với sản xuất DAP, quá trình ổn định và phổ biến nhất là quá trình bùn (slurry
process). Trong q trình này Acid phosphoric được trung hịa một phần bằng ammonia ở
thiế t bi ̣ trung hòa (tạo bùn), phần cịn lại được trung hịa hồn tồn trong thiết bị tạo hạt.
Q trình này có tên gọi là q trình bùn TVA thơng thường và được áp dụng ở nhiều nhà
máy phân bón trên thế giới.
Hiện nay quá trình thiết bị phản ứng kiểu ống là quá trình bùn đã được cải tiến trở
nên thịnh hành trong sản xuất DAP. Sự cải tiến của quá trình phản ứng ống so với q
trình bùn thơng thường là phản ứng trung hịa acid phosphoric khơng những xảy ra trong
thùng trung hòa sơ bộ mà còn xảy ra một lượng lớn trong thiế t bi ̣phản ứng kiểu ống. Quá
trình này có các cơng đoạn là:
Cơng đoạn tiền trung hịa và phản ứng ống
Cơng đoạn rửa khí kép
Công đoạn khử bụi
Công đoạn bốc hơi ammonia
Công đoạn làm lạnh khí bằng ammonia
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 12
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
Hình 2. Dây chuyền sản xuất DAP
Bùn đã trung hòa nhận được trong q trình phản ứng ống có đặc tính vật lý tốt hơn
so với q trình thơng thường cụ thể là:
Hàm lượng nước thấp.
Nhiệt độ cao.
Bùn được phun mù vào một dịng xốy của hơi nước.
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 13
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
2.1.
STT
Phân loại phản ứng hóa học
Loại phản ứng hóa học
Tiêu chuẩn phân loại
Phản ứng một chiều
Phản ứng hai chiều
Phản ứng song song
Phản ứng nối tiếp
Phản ứng đơn giản
Phản ứng phức tạp (đồng thời xảy ra
nhiều phản ứng)
1
Cơ chế phản ứng
2
Số phân tử tham gia phản ứng
Phản ứng đơn phân tử
Phản ứng hai, đa phân tử
3
Bậc phản ứng
Phản ứng bậc 1, bậc 2, ...
Phản ứng bậc số nguyên, bậc phân số
4
5
Điều kiện thực hiện phản ứng
Trạng thái pha của hệ phản ứng
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Phản ứng đẳng tích, đẳng nhiệt, đẳng áp,
đoạn nhiệt,
Phản ứng gián đoạn, liên tục, bán liên tục
Phản ứng đồng thể: phản ứng xảy ra
trong hệ đồng nhất, các cấu tử tham gia
trong hệ cùng một trạng thái pha (khí,
lỏng)
Phản ứng dị thể: phản ứng xảy ra trong
hệ không đồng nhất, các cấu tử tham gia
phản ứng ở trạng thái từ hai pha trở lên
Trang 14
Luận văn tốt nghiệp
2.2.
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
Khái niệm cơ bản về thiết bị phản ứng
2.2.1. Thiết bị phản ứng
Hệ thống thiết bị thực hiện các phản ứng hoá học tạo ra sản phẩm của một quá trình
sản xuất, do đó quyết định năng suất (do vận tốc phản ứng r) và hiệu quả (độ chuyển hoá
X và độ chọn lọc S) của sản xuất.
Trong sơ đồ công nghệ TBPƯ như sau.
Hình 3. Lưu đồ khối của cơng nghệ sản xuất
Trong đó hệ thống thiết bị chuẩn bị hỗn hợp phản ứng, tách và tinh chế sản phẩm có
thể gồm một số lượng lớn các thiết bị thực hiện các quá trình chuyển khối và truyền nhiệt
như chưng luyện, hấp thụ,hấp phụ, trích ly, đun nóng, làm lạnh, ngưng tụ , ...
2.2.2. Vận tốc phản ứng
Vận tốc phản ứng chuyển hoá chất i: Ri
Ri = ±
dCi
(1.1)
dt
Ci: Nồng độ cấu tử i, dấu cộng là tạo thành (sản phẩm phản ứng), dấu trừ là tiêu
hao (chất phản ứng), mol/l.
2.2.3. Độ chuyển hóa của chất i
Xi =
Trong đó:
(𝐶𝑖0 −𝐶𝑖1 )
𝐶0
= 1-
𝐶𝑖1
(1.2)
𝐶𝑖0
Ci0- Nồng độ chất phản ứng i đi vào (hay nồng độ ban đầu), mol/l.
Ci1- Nồng độ chất phản ứng i đi ra (hay nồng độ cuối), mol/l.
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 15
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
2.2.4. Độ chọn lọc đối với sản phẩm i
Si =
Trong đó:
𝐶𝑖
𝛴𝐶𝑗
j = 1, n
(1.3)
Ci -nồng độ của sản phẩm i trong hỗn hợp phản ứng, mol/l.
ΣCj -tổng nồng độ các sản phẩm trong hỗn hợp phản ứng, mol/l.
2.2.5. Điều kiện phản ứng
Nhiệt độ phản ứng: có thể từ nhiệt độ phịng đến 800÷900°C, cá biệt có thể đến
1300÷1500°C. Đồng thời phải có những giải pháp hợp lý cấp hay giải nhiệt phản ứng.
Áp suất: có thể từ áp suất khí quyển 0,1 MPa đến 70 MPa.
Trong nhiều phản ứng pha khí thường dùng áp suất khoảng 2÷3 MPa để giảm thể
tích TBPƯ, tăng cường vận tốc phản ứng và hệ số trao đổi nhiệt với thành thiết bị.
Với mỗi áp suất cần có dạng hình học của thiết bị phù hợp: hình ống, hình cầu chịu
áp suất tốt hơn hình hộp, mặt phẳng.
Phản ứng trong thiết bị có thể tiến hành ở các trạng thái pha khác nhau:
+ Đồng thể: khí, lỏng.
+ Các hệ dị thể khí-rắn, khí-lỏng, lỏng-rắn.
+ Các hệ ba pha: khí-lỏng-rắn, lỏng-lỏng-rắn, khí-lỏng-lỏng, ...
Tính đa dạng của TBPƯ còn do từng hãng, trên thế giới có những hãng có cơng
nghệ, xúc tác và hệ thống TBPƯ riêng của mình.
Đặc điểm của thiết bị phản ứng
Do trong TBPƯ các q trình hố học (phản ứng) và vật lý (chuyển khối: dòng chảy,
khuếch tán, và các quá trình nhiệt: truyền nhiệt, toả và thu nhiệt) xảy ra đan xen và ảnh
hưởng lẫn nhau.
Trong đó, các q trình vật lý thường tuyến tính với nhiệt độ, cịn các phản ứng hố
học phụ thuộc vào nhiệt độ ở dạng hàm mũ theo phương trình Arrhénius (phi tuyến).
Ảnh hưởng của môi trường
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 16
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
Ảnh hưởng của pH môi trường, tốc độ khuấy trộn (trong thiết bị khuấy lý tưởng), tạp
chất, ...là đáng kể đối với phản ứng trong thiết bị, đôi khi là tác nhân chính ảnh hưởng đến
phản ứng và thiết kế thiết bị phản ứng.
2.2.6. Phân loại TBPƯ
2.2.6.1. Theo chế độ làm việc
a. Thiết bị làm việc gián đoạn
Các bước của quá trình: nạp liệu, đun nóng, tiến hành phản ứng, làm nguội và tháo
sản phẩm, được thực hiện trong một thiết bị.
Do đó các thơng số như nồng độ, nhiệt độ, áp suất, ...thay đổi theo thời gian.
Hình 4. Minh họa một thiết bị làm việc gián đoạn
b. Thiết bị làm việc bán liên tục:
Chất phản ứng: Một chất cho gián đoạn, một chất cho liên tục.
Chất cho gián đoạn thường là chất lỏng, ví dụ chất A.
Chất cho liên tục thường là chất khí hay có thể là chất lỏng, ví dụ chất B. Phản ứng
hóa học diễn ra giữa A và B:
A+B→C
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 17
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
Hình 5. TBPƯ bán liên tục
c. Thiết bị làm việc liên tục
Đây là loại thiết bị thường gặp trong công nghiệp với qui mô sản xuất lớn.
Trạng thái ổn định (steady state): Trạng thái đạt được của TBPƯ sau khi mở máy
một thời gian, ở trạng thái này các thông số của q trình khơng thay đổi theo thời gian t,
lúc đó sản phẩm thu được có chất lượng ổn định. Từ khi mở máy đến trạng thái ổn định ta
có giai đoạn quá độ, thời gian quá độ phụ thuộc vào chế độ dòng chảy trong thiết bị và độ
phức tạp của hệ thống TBPƯ.
d. Thời gian lưu trung bình
Thời gian lưu thực của chất phản ứng trong thiết bị khác nhau, phụ thuộc vào chế độ
dịng chảy. Ta có thời gian lưu trung bình theo định nghĩa sau
tTB =
Trong đó:
𝑉𝑅
𝐹𝑉
(1.5)
tTB -Thời gian lưu trung bình, h.
VR -Thể tích TBPƯ, m3.
FV -Lưu lượng của dòng, m3/h.
2.2.6.2. Theo chế độ dòng chảy
a. Mơ hình đẩy lý tưởng
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 18
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
Là mô hình dịng chảy trong thiết bị chuyển động tịnh tiến theo thứ tự trước sau như
chuyển động của pit-tông trong xi lanh
Do đó nồng độ chất phản ứng thay đổi từ từ, bắt đầu ở đầu vào là CA0 đến đầu ra là
CAL
Hình 6. Mơ hình đẩy lý tưởng
b. Mơ hình khuấy lý tưởng
Là mơ hình dịng chảy trong thiết bị được khuấy trộn mạnh, chất phản ứng đi vào
được trộn lẫn đồng đều ngay tức khắc trong thiết bị, do đó nồng độ chất phản ứng thay đổi
đột ngột ở tại đầu vào của thiết bị. Cũng do khuấy trộn nồng độ chất phản ứng trong khắp
thiết bị đồng đều và bằng đầu ra là C1.
Do nồng độ chất phản ứng trong thiết bị thấp (nhất là khi độ chuyển hoá X yêu cầu
cao) nên vận tốc phản ứng thấp và do đó năng suất TBPƯ theo mơ hình khuấy lý tưởng
thấp hơn đẩy lý tưởng.
Nói một cách khác, để đảm bảo độ chuyển hoá X như nhau thiết bị theo mơ hình
khuấy lý tưởng cần có thể tích VR lớn hơn nhiều so với mơ hình đẩy lý tưởng, đặc biệt khi
X yêu cầu cao.
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 19
Luận văn tốt nghiệp
GVHD : TS. Vũ Hồng Thái
Hình 7. Mơ hình khuấy lý tưởng
2.2.6.3. Theo trạng thái pha
Hệ đồng thể: Cần được khuấy trộn để đồng đều về nồng độ các cấu tử và nhiệt độ
trong thiết bị phản ứng.
Hệ dị thể: Đối với hệ này cần chú ý tạo bề mặt tiếp xúc pha lớn để tăng cường vận
tốc phản ứng.
+ Hệ dị thể lỏng-lỏng: Cần được khuấy trộn tốt, tạo nhũ tương bề mặt tiếp xúc lớn.
+ Hệ dị thể khí-lỏng: Để đảm bảo bề mặt tiếp xúc pha của hệ này cần khuấy trộn
hoặc sủi bọt hoặc dùng đệm rắn có bề mặt riêng lớn.
+ Hệ dị thể khí-rắn và lỏng-rắn: Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt của chất rắn , do vậy
chất rắn (là xúc tác) thường là vật liệu xốp có bề mặt riêng lớn hoặc có độ phân tán cao.
Trong cơng nghiệp cũng hay gặp hệ nhiều pha: khí - lỏng - rắn, lỏng - lỏng - rắn.
2.2.6.4. Theo chế độ nhiệt
Đoạn nhiệt
+ Khơng có bộ phận trao đổi nhiệt.
+ Hay sử dụng vì đơn giản, cho các phản ứng có hiệu ứng nhiệt thấp hay ít nhạy
với sự thay đổi nhiệt độ.
Đẳng nhiệt:
HVTH: Nguyễn Quang Thành
Trang 20
