nghiên cứu, thiết kế hệ đo lường và điều khiển cho dây chuyền điều chế supe lân tại công ty supe phốt phát và hóa chất lâm thao

Rõ ràng việc điều khiển năng suất axit được thực hiện thông qua đo lưu lượng, độ dẫn và nhiệt độ của axit.. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 14 Kh

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

NGUYỄN VĂN THUẬN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO DÂY CHUYỀN ĐIỀU CHẾ SUPE LÂN TẠI CÔNG TY

SUPE PHỐT PHÁT VÀ HÓA CHẤT LÂM THAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, 2014

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

NGUYỄN VĂN THUẬN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO DÂY CHUYỀN ĐIỀU CHẾ SUPE LÂN TẠI CÔNG TY

SUPE PHỐT PHÁT VÀ HÓA CHẤT LÂM THAO

Trang 3

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Văn Thuận, học viên lớp cao học K21DNNA chuyên ngành kỹ thuật điện Tôi cam đoan những nội dung tôi viết trong luận văn là nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh và không có sự sao chép bất hợp pháp từ nghiên cứu của người khác Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2014

Người cam đoan

Nguyễn Văn Thuận

Trang 4

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page ii

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh đã hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian làm luận văn vừa qua

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Công ty cổ phần Supe phốt phát và Hóa chất Lâm Thao đã tạo điều kiện cho tôi tiếp cận, nghiên cứu các yếu tố kỹ thuật công nghệ phối hợp tốt và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện những nghiên cứu của đề tài

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo của Khoa Cơ Điện cùng các thầy cô giáo bộ môn đã truyền đạt những kiến thức mới và bổ ích cho

em trong suốt thời gian học tập tại trường

Học viên

Nguyễn Văn Thuận

Trang 5

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page iii

IV Phương pháp nghiên cứu 2

1 Các kết quả nghiên cứu thừa kế 2

2 Định hướng nghiên cứu 2

3 Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng 2

1.1 Thực trạng sản xuất của Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất

1.2 Phân tích hệ thống điều chế Supe lân cũ 4 1.2.1 Mô tả bài toán công nghệ 4 1.2.2 Thực trạng của các hệ đo lường điều khiển cũ trong điều chế Supe lân 5 1.3 Tính chất cơ bản của Supe lân 6 1.3.1 Thành phần hoá học 6 1.3.2 Tính chất lý hoá cơ bản của supe phốt phát 6 1.3.3 Ứng dụng của Supe phốt phát đơn 7 1.4 Nguyên liệu chế tạo Supe lân 7

1.4.2 Axit sunfuric H2SO4 10 1.5 Quy trình điều chế Supe lân 10 1.5.1 Các giai đoạn phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng 10 1.5.2 Công đoạn điều chế supe photphat 16

Trang 6

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page iv

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ

2.1 Tổng quan về hệ thống thiết kế 18 2.2 Bài toán công nghệ 19 2.2.1 Phối liệu công nghệ 19 2.2.2 Vấn đề công nghệ cần giải quyết 21 2.3 Thiết kế hệ do lường điều khiển công đoạn điều chế Supe lân 22 2.3.1 Biện pháp đo lường và điều khiển cung cấp axit H2SO4 vào thùng trộn 22 2.3.2 Biện pháp đo lường và điều khiển năng suất bột Apatit 29 2.3.3 Biện pháp điều khiển và giám sát trung tâm 35 2.4 Tính năng của hệ thống 37 2.5 Các tính năng của các thiết bị sử dụng trong hệ thống đo và điều khiển tự

3.1 Sơ đồ thuật toán cho bộ điều khiển 58 3.2 Thiết kế hệ điều khiển giám sát hoàn chỉnh cho supe lân trên WINCC 59

II Hướng phát triển của đề tài 65

Trang 7

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page v

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Phối liệu Apatit và Axit trong thùng trộn 4 Hình 1.2 Sự phụ thuộc mức độ phân hủy quặng vào nồng độ H2SO4 13 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ đo lường và điều khiển trong điều chế

Hình 2.2 Đặc tuyến độ dẫn – nồng độ phụ thuộc vào t0 của axit 23 Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển axit 27 Hình 2.4 Mô hình cân băng định lượng 30 Hình 2.5 Sơ đồ mạch đo lường và điều khiển bột Apatit 33 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển giám sát 35 Hình 2.7 Sơ đồ công nghệ điều chế Supe lân 56 Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán 58 Hình 3.2 Hệ thống cấp bột apatit 60 Hình 3.3 Hệ thống pha loãng axit 60 Hình 3.4 Hệ thống trung hòa supe tươi 61 Hình 3.5 Sơ đồ hoàn chỉnh hệ SCADA supe lân 61 Hình 3.6 Lỗi giá trị đặt 62 Hình 3.7 Giá trị đặt hợp lệ 63 Hình 3.8 Chế độ bán tự động 63 Hình 3.9 Chế độ vận hành bằng tay 64

Trang 8

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 1

MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Phần lớn các hệ thống điều khiển trong nhà máy sản xuất Supe lân đều rất lạc hậu Rất nhiều các dây chuyền do Liên xô xây dựng vào những năm 1960, do ứng dụng điều khiển cục bộ (Local Control) mà số lượng công nhân vận hành khá đông mặt khác với các biến động bất thường ở các công đoạn khác nhau trong dây chuyền sẽ là một thách thức không nhỏ khi phải thông tin đến các công đoạn liên quan Do đó một yêu cầu cấp thiết để đặt ra là phải xây dựng một hệ thống đo lường điều khiển và giám sát

từ trung tâm đáp ứng được các yêu cầu sau:

- Đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng điều chỉnh, hệ thống thiết kế phải

có tính năng mở

- Thiết kế hệ thống mới nhưng vẫn phải tận dụng tối đa các thiết bị đo lường

và cơ cấu chấp hành trong hệ thống cũ

- Tối ưu hoá giá thành nhưng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật

Từ những phân tích trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu, thiết

kế hệ đo lường và điều khiển cho dây chuyền điều chế Supe lân tại công ty Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao”

II Mục đích nghiên cứu

Hệ thống điều khiển dây chuyền điều chế Supe lân tại công ty Supe Phốt

phát và Hóa chất Lâm Thao đang sử dụng là một hệ thống cũ, lạc hậu ứng dụng các điều khiển cục bộ, điều này dẫn đến chất lượng hệ thống điều khiển không ổn định Việc tự động hóa không những làm tăng chất lượng của sản phẩm đầu ra còn làm giảm nhân công sử dụng trong các hệ thống này Do đó tôi nghiên cứu đề tài này nhằm đạt được các mục đích sau:

- Thiết kế hệ thống nhằm tự động hóa cho dây chuyền sản xuất điều chế Supe lân nhưng vẫn phải tận dụng tối đa các thiết bị đo lường và cơ cấu chấp hành trong hệ thống cũ

- Nghiên cứu, thiết kế phần cứng, xây dựng phần mềm cho hệ thống đo lường và điều khiển cho điều chế Supe lân

Trang 9

III Nội dung đề tài

- Nghiên cứu công nghệ điều chế Supe lân tại công ty Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao

- Thiết kế phần cứng hệ thống đo lường và điều khiển cho điều chế Supe lân

- Nghiên cứu lựa chọn thiết bị điều khiển dùng trong hệ thống

- Lập trình và phần mềm thiết kế giao diện, cụ thể là phần mềm lập trình simatic S7- 300 và phần mềm thiết kế giao diện simatic WinCC 7.0

- Tích hợp toàn hệ thống

IV Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

1 Các kết quả nghiên cứu thừa kế

Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ trước về cơ sở lý thuyết các phần mềm lập trình và phần mềm thiết kế giao diện, cụ thể là phần mềm lập trình simatic S7- 300 và phần mềm thiết kế giao diện simatic WinCC 7.0

Kế thừa mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn

2 Định hướng nghiên cứu

Nghiên cứu phần mềm lập trình, phần mềm viết giao diện trên máy tính Thay đổi phương pháp lập trình để tìm ra phương pháp đơn giản dễ sử dụng

và hiệu quả nhất

Xây dựng chương trình điều khiển và giao diện giám sát

3 Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng

Chạy thử trên giao diện giám sát nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của giao diện giám sát và chương trình điều khiển, rồi từ đó hoàn thiện và nâng cấp hệ thống

4 Thiết bị thí nghiệm

- Máy tính PC

Trang 10

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ ĐIỀU CHẾ SUPE LÂN

1.1 Thực trạng sản xuất của Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao

Tiền thân của Công ty cổ phần Supe phốt phát và Hóa chất Lâm Thao là Nhà máy Supe phốt phát Lâm Thao, được Chính phủ nước Việt nam Dân chủ Cộng hòa khởi công xây dựng ngày 8 tháng 6 năm 1959 bên dòng sông Thao trên quê hương Đất Tổ (huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ) Sau 3 năm thi công xây dựng, nhà máy đã khánh thành đi vào sản xuất ngày 24 tháng 6 năm 1962

Trải qua quá trình xây dựng và phát triển, Công ty cổ phần Supe phốt phát và Hóa chất Lâm Thao luôn giữ vững vai trò ngọn cờ đầu trong ngành sản xuất kinh doanh phân bón, hóa chất nước ta, cung ứng gần 20 triệu tấn phân bón cho đồng ruộng, sát cánh cùng nông dân cả nước làm nên những vụ mùa bội thu, góp phần đưa nước ta trở thành nước xuất khẩu gạo đứng thứ 2 trên thế giới

Với mục tiêu hàng đầu là giữ vững và phát triển các sản phẩm truyền thống phục vụ nông nghiệp, mở rộng và phát triển các ngành nghề sản xuất kinh doanh khác mà Công ty đang có ưu thế, tạo sự phát triển ổn định lâu dài và vững chắc, tối

đa hóa lợi nhuận, đảm bảo quyền lợi hợp pháp cho cổ đông, làm tròn nghĩa vụ đối với Nhà nước, Công ty cổ phần Supe phốt phát và Hóa chất Lâm Thao đã và đang triển khai sản xuất và kinh doanh trong một số lĩnh vực sau đây:

- Sản xuất và kinh doanh phân bón, hóa chất, điện, nước, xi măng, xăng dầu mỡ

- Thiết kế xây dựng các công trình; thiết kế, chế tạo, lắp đặt các thiết bị, dây chuyền sản xuất hóa chất

- Kinh doanh khách sạn, nhà hàng

- Kinh doanh các ngành nghề khác theo quy định của pháp luật cho phép

Sự trưởng thành của Công ty không chỉ thể hiện qua năng lực sản xuất, các

dự án phát triển mà quan trọng hơn cả là công ty đã khẳng định được thương hiệu của mình trong sự phát triển chung của xã hội Thương hiệu Lâm Thao "Ba nhành

Trang 11

lá cọ xanh" đã trở nên quen thuộc trong nền kinh tế nước nhà, đặc biệt, tên gọi

"Phân bón Lâm Thao" đã in sâu vào tiềm thức đông đảo bà con nông dân cả nước Công ty đã có vinh dự lớn lao được Bác Hồ về thăm (19/8/1962), được Đảng và Nhà nước 3 lần phong tặng danh hiệu Đơn vị Anh hùng: Anh hùng Lao động (1985), Anh hùng Lực lượng vũ trang nhân dân (1999), Anh hùng Lao động thời kỳ đổi mới (2000), trao tặng Huân chương Hồ Chí Minh (2005), Huân chương Độc Lập, Huân chương Lao động, Huy chương Vàng "Bạn Nhà nông", Huy chương "Vì

sự nghiệp phát triển nông nghiệp Việt Nam" cùng nhiều danh hiệu và phần thưởng cao quý khác

Để đạt được những thành tích to lớn ấy, bên cạnh sự nỗ lực lao động sáng tạo không ngừng của tập thể cán bộ, công nhân viên công ty qua nhiều thế hệ, còn có sự quan tâm lãnh đạo của Đảng, Nhà nước và Bác Hồ kính yêu, sự giúp đỡ chí tình của nhân dân Liên Xô, sự chỉ đạo, tạo điều kiện của các cấp, các ngành trung ương và địa phương, sự hợp tác của các doanh nghiệp, đơn vị bạn và đặc biệt là sự ủng hộ, mến mộ của bà con nông dân cả nước trong suốt 50 năm qua

1.2 Phân tích hệ thống điều chế Supe lân cũ

1.2.1 Mô tả bài toán công nghệ

Thực tế để tạo ra Supe lân người ta phải phối liệu giữa axit Sunfuric 68% với bột Apatit theo một tỉ lệ thích hợp (thông thường là apatit/axit = 2/1) tất nhiên tỉ lệ này phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của apatit Việc phối liệu apatit và axit được tiến hành liên tục, và quy đổi ra năng suất (tấn/h)

Hình 1.1 Phối liệu Apatit và Axit trong thùng trộn

Thùng trộn Apatit Axit H 2 SO 4 68%

Trang 12

Trong thùng trộn có sẵn các motor khuấy hoạt động liên tục và liên động với nhau, sản phẩm sau thùng trộn được đưa đến thùng hoá thành, trong thùng hoá thành

có một motor dao cắt và tất nhiên sản phẩm ra của thùng hoá thành chính là Supe, nhưng người ta chỉ gọi đó là Supe tươi Để tạo thành Supe thành phẩm người ta phải đưa Supe tươi qua một băng tải và đến motor đánh tung Sản phẩm sau khi đi qua Motor đánh tung được ủ với thời gian thích hợp và đó chính là Supe thành phẩm

Axit 68% nhận được từ ống trộn khi điều chỉnh các van axit và van nước Việc mở các van này bao nhiêu còn tuỳ thuộc vào năng suất axit đặt trong tỉ lệ phối liệu Một phương pháp xác định nồng độ axit hiệu quả chính là đo độ dẫn và nhiệt

độ axit, rồi thông qua tra bảng sẽ xác định được nồng độ Rõ ràng việc điều khiển năng suất axit được thực hiện thông qua đo lưu lượng, độ dẫn và nhiệt độ của axit Đối với bột apatit, cần thiết phải đưa qua băng cân định lượng và điều khiển tốc độ của băng cân sao cho đạt tỷ lệ phối liệu phù hợp Và tất nhiên lượng apatit được xác định bằng biểu thức tích phân theo thời gian của giá trị khối lượng tức thời với vận tốc của băng cân

1.2.2 Thực trạng của các hệ đo lường điều khiển cũ trong điều chế Supe lân

Phần lớn các hệ thống điều chế Supe lân cũ đều ứng dụng điều khiển cục bộ (Local Control) với nhiều vòng điều khiển độc lập nhau Số lượng công nhân vận hành lớn, với các biến động bất thường ở các công đoạn khác nhau trong dây chuyền sẽ là một thách thức không nhỏ khi phải thông tin đến các công đoạn liên quan Mặt khác việc quản lý các dữ liệu ở các điểm đo quan trọng dùng các bộ tự ghi gây khó khăn trong lưu trữ và tìm kiếm dữ liệu khi cần Do đó hệ thống đo lường điều khiển hiện tại này không thể đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm cũng như khả năng làm việc liên tục và lâu dài của hệ thống Một yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải cải tạo từ hệ thống cũ thành hệ thống đo lường và điều khiển trung tâm mới với các tính năng hiện đại nhưng giá thành phải hợp lý

Trang 13

1.3 Tính chất cơ bản của Supe lân

1.3.1 Thành phần hoá học

- Là sản phẩm của quá trình phân hủy quặng apatit bằng axit sunfuric

- Là loại phân lân phổ biến nhất, có thành phần chủ yếu gồm các muối của axit octo photphoric, axit sunfuric, một lượng axit octo photphoric tự do và apatit

chưa bị phân huỷ Công thức hoá học của các thành phần như sau:

+ Mono canxi photphat Ca(H2PO4)

+ Canxi sunfat khan CaSO4

+ Axit photphoric tự do H3PO4

+ Photphat sắt FePO4.2H2O

+ Photphat nhôm AlPO4.2H2O

+ Đicanxi photphat CaHPO4

+ Apatit chưa phân huỷ Ca5F(PO4)3

Ngoài ra còn có các muối của Mg, một số chất khoáng trong nguyên liệu không bị phân huỷ, gen SiO2.nH2O

Hiện nay supe photphat đơn sản xuất tại Công ty Supe Phốt phát và Hoá chất

Lâm thao là dạng bột rời có trung hoà bằng chính quặng apatit

1.3.2 Tính chất lý hoá cơ bản của supe phốt phát

1.3.2.1 Tính chất hoá học

Supephotphat là một loại phân lân tên thương mại là phân supe có chứa hàm lượng dinh dưỡng P2O5 hòa tan trong nước là chủ yếu Supe photphat là một loại bột tơi, xốp, có màu xám sẫm hoặc xám nhạt, trọng lượng riêng đổ đống của supe photphat từ 1,4 ÷ 1,5 tấn/m3 Hàm lượng các hợp chất photphat trong supe được tính ra phần trăm anhydrit photphoric tức P2O5

Phần P2O5 trong supe phốt phát tồn tại ở dạng mônô can xi phốt phát hòa tan tốt trong nước được cây cối hấp thụ tốt và phần P2O5 tồn tại ở dạng sắt nhôm, đi canxi phốt phát không hòa tan trong nước mà hòa tan một phần hoặc toàn phần trong dung dịch ciliat amôn được gọi là hiện tượng P2O5 hữu hiệu

- Phần P2O5 tồn tại ở dạng axít octophôt photi tự do tan được trong H2O, tuy nhiên nó gây ăn mòn thiết bị vận chuyển và hút ẩm gây kết khối sản phẩm dẫn đến

Trang 14

sản phẩm giảm chất lượng; Theo quy định hàm lượng P2O5 tự do trong supe lân không lớn hơn 4%

- Phần P2O5 có trong Supe gọi là P2O5 chung

- Chất lượng của supe phốt phát được đánh giá theo hàm lượng P2O5 hữu hiệu, hàm lượng P2O5 hữu hiệu trong supe phốt phát đơn phải lớn hơn 15%

1.3.3 Ứng dụng của Supe phốt phát đơn

Supe photphat đơn được ứng dụng chính để làm phân bón có chứa photpho ở thể dinh dưỡng làm tăng lượng bột ở các loại cây có củ, có hạt, tăng cường lượng đường ở các loại cây có quả, làm cây cứng cáp, chống được sâu bệnh Cho cây trồng nông nghiệp hay công nghiệp phát triển khoẻ mạnh, cho năng suất cao, chất lượng cao

Ngoài ra, supe photphat đơn còn dùng để sản xuất các loại phân bón hỗn hợp

PK hoặc NPK, dùng sản xuất chất khoáng bổ sung thức ăn cho gia súc

1.4 Nguyên liệu chế tạo Supe lân

Nguyên liệu để sản xuất supe photphat đơn có quặng chứa photpho và axit sunfuric

Quặng chứa photpho bao gồm các loại: apatit, photphoric và photphat thiên nhiên Ở nước ta để sản xuất supe đơn quặng được dùng chủ yếu là apatit

Nguyên liệu chính dùng sản xuất supe photphat đơn tại Công ty supe photphat và hoá chất Lâm Thao là quặng apatit và axit sunfuric, nguyên liệu để trung hoà supe photphat cũng là bột apatit

Trang 15

Ngoài ra trong quá trình sản xuất supe photphat đơn còn sản xuất sản phẩm phụ là Na2SiF6 (sản phẩm của quá trình hấp thụ khí thải khi sản xuất supe photphat đơn) và muối ăn NaCl

Nguyên liệu để trung hoà nước thải trong quá trình sản xuất supe photphat đơn là vôi sống CaO

1.4.1 Apatit

Người ta gọi apatit là khoáng có thành phần được biểu thị bởi công thức chung Ca10R2(PO4)6 hoặc rút gọn Ca5R(PO4)3 Trong đó R là F, Cl, OH hoặc CO3 Phổ biến nhất là Flo apatit; rất hiếm Clo apatit, đôi khi một bộ phận canxi được thay thế bởi các kim loại như: Ba, Sr, Mg, Mn, Fe

Quặng có màu nâu sẫm hoặc màu nâu vàng, không hoà tan trong nước nhưng hoà tan trong các axit vô cơ Tỷ trọng từ 1,5 ÷ 2,2 tấn/m3 Nhiệt độ nóng chảy từ

1550 ÷ 1570°C

Công thức hoá học của các thành phần chính trong quặng apatit như sau:

Ca5F(PO4)3 Flo apatit

Na3F(SiO3) Nê E ghêtin

(Na,K)AlSiO4.nSiO2 Nê fê lin

Ca.Ti.SiO5 Sphen

(Ca,Mg)CO3 Đôlômít

mFe2O4.nFeTiO3.TiO2 Titan ma nhê tít

Hàm lượng các chất có chứa photpho trong quặng được quy ra phần trăm anhydrit photphoric gọi là P2O5 chung trong apatit

- Tuỳ theo hàm lượng P2O5 trong quặng ta chia quặng apatit ra làm bốn loại:

+ Quặng loại I

Là loại quặng giàu, chứa phần lớn là flo apatit Ca5F(PO4)3 có hàm lượng

P2O5 từ 33 ÷ 38% Quặng này đã được sử dụng ở Công ty supe photphat và hoá chất Lâm Thao từ năm 1962 đến nay

Trang 16

+ Quặng loại II

Quặng này có hàm lượng P2O5 từ 24 ÷ 26% Trong quặng loại I cấp cho Công ty supe photphat và hoá chất Lâm Thao có chứa một lượng quặng này dưới dạng các cục to

+ Quặng loại III

Là loại quặng được bóc ra trong quá trình khai thác quặng loại I Hàm lượng

P2O5 của quặng này từ 15 ÷ 18% quặng được đưa sang Nhà máy tuyển quặng để nâng hàm lượng P2O5 lên 32 ÷ 33%

+ Quặng nguyên khai

Quặng này chưa làm giàu không đồng nhất về kích thước và phẩm chất thường chứa 81 ÷ 90% flo apatit và phân bố không đều Các tạp chất nhiều và không ổn định, độ ẩm cũng cao thấp thất thường

Apatit Lào Cai theo kết quả phân tích có hàm lượng trung bình của các thành phần như sau:

% P2O5 % CaO % F % H2O % Al2O3 % Fe2O3 % MgO % SiO2 % CO2

32 ÷ 33 43÷46 2 ÷2,5 8 ÷12 2 ÷ 3 2÷ 2,7 2÷2,5 12÷14 0,3 Quặng này có ưu điểm là xốp nên khi sấy hơi nước dễ thoát ra, độ cứng nhỏ nên dễ nghiền, bột apatit nghiền mịn, khô thì có tính trôi lớn

Quặng này sau khi sấy nghiền thành bột mịn phải đạt các yêu cầu sau:

Hàm lượng P2O5 trung bình: 32 ÷ 33%

Độ ẩm: 1,5 ÷ 3% H2O

Độ mịn: lượng còn lại trên sàng 0,16mm không lớn hơn 5%

Trang 17

+ Quặng tuyển ẩm

Quặng này có ưu điểm là dễ tách nước để giảm độ ẩm đặc biệt là khi được đảo trộn tốt Khi độ ẩm giảm thì tơi không dính bết Tiêu chuẩn chất lượng của loại quặng này như sau:

Hàm lượng P2O5 trung bình: 32 ÷ 33%

Độ ẩm: 15 ÷ 18% H2O

Kích thước: 0,074 mm

1.4.2 Axit sunfuric H 2 SO 4

Axit sunfuric là một loại axit vô cơ hoạt động mạnh có công thức hoá học là

H2SO4, trọng lượng phân tử là 98 Trong kỹ thuật, hỗn hợp theo tỷ lệ bất kỳ của SO3

với H2O đều gọi là axit sunfuric

Thông thường dung dịch axit sunfuric đưa sang điều chế supe photphat đạt: Nồng độ: 58 ÷ 77%; thường là 76%

Nhiệt độ: 40 ÷ 60°C

1.5 Quy trình điều chế Supe lân

1.5.1 Các giai đoạn phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng

1.5.1.1 Các giai đoạn phản ứng

Phân giải quặng phốt phát bằng H2SO4 trong thiết bị phản ứng

Trong sản xuất supe photphat thì hai giai đoạn 1 và 2 tiến hành kế tiếp nhau chứ không thể đồng thời vì không thể có sự tồn tại đồng thời của axit H2SO4 và Ca(H2PO4)2 có trong dung dịch nước Nếu chúng cùng tồn tại thì sẽ có phản ứng: Ca(H2PO4)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H3PO4

Sau đây lần lượt giới thiệu từng giai đoạn

a Giai đoạn 1 của phản ứng

Khi bắt đầu trộn axit với quặng phốt phát phản ứng giữa apatit và axit sunfuric xảy ra theo phương trình tổng quát sau:

2Ca5F(PO4)3 + 7H2SO4 + 3H2O = 3Ca(H2PO4)2.H2O + 7CaSO4 + 2HF Nhưng thực chất nó tiến hành theo hai quá trình:

- Quá trình 1

Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 2,5H2O = 3H3PO4 + 5CaSO4.0,5H2O + HF

Trang 18

- Quá trình 2

Ca5F(PO4)3 + 7H3PO4 + 5H2O = 5Ca(H2PO4)2.H2O + HF Hai giai đoạn phản ứng tiến hành kế tiếp nhau không phải xen kẽ, đồng thời

vì trong dung dịch không có sự tồn tại đồng thời của axit sunfuric và mono canxiphotphat:

Ca(H2PO4)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H3PO4Khuếch tán axit sunfuric tới các hạt apatit Quá trình này kèm theo phản ứng hoá học nhanh trên bề mặt các hạt

Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 2,5H2O = 3H3PO4 + 5CaSO4.0,5H2O + HF Phản ứng này bắt đầu ngay từ khi trộn quặng apatit với axit H2SO4, tuỳ theo mức độ phản ứng mà nồng độ H2SO4 giảm dần, nồng độ H3PO4 tăng lên, bột sệt được tạo thành nhanh chóng và chảy xuống thùng hoá thành, khi đó khoảng 60 ÷ 80% lượng axit cho vào đã tham gia phản ứng, xuống thùng hoá thành phản ứng này tiếp tục xảy ra và nó kết thúc sau khoảng 20 ÷ 40 phút ở trong thùng hoá thành, khối phản ứng dần dần đông kết lại Giai đoạn này kết thúc khi tiêu tốn hết axit và kết tinh sunfat canxi:

2CaSO4.0,5H2O 2CaSO4 + H2O

b Giai đoạn thứ hai của phản ứng

Khuếch tán axit photphoric tạo thành vào trong các mao quản của những hạt apatit không phân huỷ Axit H3PO4 được tạo thành ở giai đoạn I tiếp tục phân huỷ apatit theo phản ứng:

Ca5F(PO4)3 + 7H3PO4 + 5H2O = 5Ca(H2PO4)2.H2O + HF Giai đoạn thứ II của phản ứng được bắt đầu sau khi tiêu hao toàn bộ axit

H2SO4 (sau khi supe từ thùng trộn xuống hoá thành khoảng 20 ÷ 40 phút)

Mono canxi photphat được tạo thành lúc đầu trong dung dịch và sau khi quá bão hoà thì bắt đầu kết tinh Giai đoạn II của quá trình được bắt đầu sau 20 ÷ 40 phút ủ supe trong thùng hoá thành và kéo dài trong suốt thời gian ủ nó trong kho từ

6 ÷ 25 ngày tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu dùng cho sản xuất và điều kiện ủ ở kho

Tốc độ phân giải ở giai đoạn II chậm và kéo dài do những nguyên nhân sau:

Trang 19

- Những hạt quặng chưa phân giải là các hạt có kích thước lớn mà axit

H3PO4 lại là axit chủ yếu

- Lượng canxisunfat kết tinh ra quá nhiều làm cho axit H3PO4 khó tiếp xúc với hạt quặng

- Mono canxisunfat tan trong dung dịch H3PO4 sẽ dần dần tạo thành dung dịch bão hoà, dẫn đến làm giảm hoạt độ của ion H+ trong pha lỏng, và tăng độ nhớt của dung dịch

- Mono canxisunfat kết tinh tạo thành vỏ mịn bao bọc hạt quặng làm giảm sự tiếp xúc pha

1.5.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sản xuất supe photphat

a Lượng axit H 2 SO 4 tiêu chuẩn

Là lượng axit H2SO4 100% cần thiết để phân hủy 100 đơn vị Kg bột quặng phốt phát

Có thể dựa vào các phản ứng xảy ra trong giai đoạn 1 để tính lượng axit tiêu chuẩn lý thuyết khi đã biết thành phần của quặng gồm cả các tạp chất chứa trong đó Ta

sẽ tính được lượng H2SO4 tiêu chuẩn cho 100Kg quặng phốt phát khô

2Ca5F(PO4)3 + 7H2SO4 + 3H2O = 3Ca(H2PO4)2.H2O + 7CaSO4 + 2HF

Như vậy theo phản ứng ta có:

3P2O5 cần 7H2SO4

3 x 142 = 426 cần 7 x 98 = 686 Vậy mỗi đơn vị P2O5 cần 1.61 đơn vị H2SO4 100%

CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O

100 98 Vậy mỗi đơn vị CaCO3 cần 0.98 đơn vị H2SO4 100%

Thực tế khi tính toán hàm lượng các chất và tạp chất cũng chỉ tính cho các phần chủ yếu còn các phần khác tiêu hao lượng axit H2SO4 không đáng kể và tiêu hao đó cũng không vượt quá lượng HF tạo thành khi phân hủy quặng cũng tham gia vào quá trình phân hủy quặng phốt phát

Trong thực tế để đảm bảo thỏa mãn nhu cầu phân hủy cần lấy dư axit so với

lý thuyết từ 6 đến 10%

Trang 20

b Nồng độ và nhiệt độ của axit sunfuric

- Nồng độ axit sunfuric

Sự phụ thuộc mức độ phân huỷ photphat vào nồng độ axit sunfuric đều được thể hiện qua đồ thị sau:

Hình 1.2 Sự phụ thuộc mức độ phân hủy quặng vào nồng độ H 2 SO 4

Khi nâng cao nồng độ axit H2SO4 loãng (bắt đầu từ 0) và khi giảm nồng độ axit đậm đặc (từ 100 % H2SO4) thì hoạt độ của chúng tăng lên, do đó tốc độ và mức

độ apatit phân huỷ tăng lên

Mức độ phân huỷ đạt được của quặng apatit bằng axit nồng độ thấp thì cao, nhưng việc sử dụng axit nồng độ thấp không cho phép vì lượng nước đưa vào theo nó quá lớn do đó làm cho sản phẩm có độ ẩm cao, sản phẩm nhão không khô kết được

Khi nâng cao nồng độ axit thì tốc độ phân huỷ bị chậm lại và đạt đến cực tiểu, sau đó lại tăng lên

Ở những nồng độ axit thấp hơn 63% thì pha lỏng bị bão hoà ở mức độ nhỏ hơn, do đó các tinh thể CaSO4 kết tinh lớn hơn, chúng sẽ tạo thành vỏ xốp trên các hạt apatit, như thế axit xâm nhập vào bề mặt phản ứng của hạt apatit ít khó khăn hơn do vậy mà phản ứng tiến hành nhanh, sản phẩm thu được khô xốp

phân hủy %

Trang 21

Khi phân huỷ apatit bằng axit có nồng độ cao hơn 63% thì pha lỏng nhanh chóng bị bão hoà bởi canxi sunfat vì thế mà phần lớn các tinh thể CaSO4.0,5H2O và CaSO4 kết tinh ở dạng hình kim mảnh, chúng tạo thành vỏ bao phủ hầu như toàn bộ

bề mặt của các hạt apatit, phản ứng bị kìm lại, supe đông kết không tốt, pha lỏng sẽ nằm lại trên bề mặt các hạt rắn và sản phẩm thu được có tính chất lý học xấu, không tơi xốp mà bị dính bết

Tuy nhiên người ta vẫn dùng axit có nồng độ cao hơn để giảm độ ẩm của sản phẩm Khi nâng cao nồng độ axit ban đầu, độ ẩm của sản phẩm bị giảm do đó tăng hàm lượng P2O5 (trong đó khi giảm độ ẩm của supe 1% thì tương ứng tăng được khoảng 0,2% P2O5 chứa trong nó)

Tuy nhiên khi nâng cao nồng độ H2SO4 quá mức thì lại gây nên sự tạo thành

vỏ canxisunfat mịn do độ bão hoà của nó trong dung dịch lớn, do đó dẫn đến giảm tốc độ phản ứng phân huỷ quặng, ngoài ra tốc độ phản ứng giảm còn do hoạt độ của axit đậm đặc nhỏ hơn

Đối với quá trình sản xuất liên tục, cho phép nâng cao nồng độ axit vì khi đó axit và apatit vào thùng trộn cùng với khối phản ứng ở dạng bùn, nồng độ axit

H2SO4 giảm, nồng độ axit H3PO4 tăng Độ tan của CaSO4 trong axit H3PO4 cao hơn trong H2SO4 nên sự quá bão hoà và kết tinh canxi sunfat chậm hơn, làm cho màng canxi sunfat xốp Trong quá trình sản xuất liên tục, nồng độ axit ban đầu thường cao hơn sản xuất gián đoạn từ 5 ÷ 7 %

- Nhiệt độ của axit sunfuric

Nhiệt độ ban đầu của axit cũng ảnh hưởng tới vận tốc phân huỷ Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng ban đầu tăng nhưng do quá trình bão hoà canxisunfat nhanh tạo màng ngăn cách, tốc độ phản ứng bị giảm mạnh

Theo công nghệ sản xuất liên tục, nồng độ và nhiệt độ axit có liên hệ chặt chẽ với nhau Nồng độ cao thì nhiệt độ phải giảm

Bởi vậy nó tồn tại một khu vực nồng độ axit thích hợp, giới hạn của khu vực

ấy tuỳ thuộc vào nhiệt độ

Thông thường được xác định tùy thuộc vào nồng độ axit, cụ thể, với axit 61% là 65 – 75OC Với axit 64 – 68% là 50 – 60OC

Trang 22

c Độ mịn hạt quặng

Quặng càng mịn thì bề mặt riêng càng lớn do đó tốc độ phân huỷ càng nhanh Tuy nhiên nếu quặng quá mịn thì chi phí cho việc sấy nghiền sẽ tốn kém ảnh hưởng tới giá thành

d Cường độ khuấy trộn

Việc khuấy trộn làm mất khả năng bão hoà cục bộ, tạo sự tiếp xúc pha tốt hơn, do đó tăng cường khuấy trộn sẽ tăng tốc độ phản ứng Nhưng khi khuấy trộn mạnh quá thì sự cọ sát giữa quặng và axit kém đi, làm giảm hiệu suất phản ứng Giữa cường độ khuấy trộn và độ mịn có mối liên hệ chặt chẽ với nhau

e Thời gian lưu trong thùng trộn

Thời gian lưu của bùn sệt trong thùng trộn tuỳ thuộc vào thành phần của quặng và nồng độ axit đưa vào phân huỷ (thành phần pha lỏng ngay lúc bắt đầu tác dụng) và được khống chế bằng tấm chắn thùng trộn

Nồng độ axit ban đầu càng cao, mức độ phân huỷ quặng càng lớn thì cần phải duy trì tỷ số H2SO4 : H3PO4 trong bùn từ thùng trộn chảy ra phải càng nhỏ để không tạo thành vỏ CaSO4 mịn trên các hạt supe Đối với apatit Lào Cai có hàm lượng trung bình từ 32 ÷ 33 % P2O5 và axit có nồng độ 67 ÷ 68% H2SO4 thì thời gian lưu của bùn sệt trong thùng trộn là 3 ÷ 5 phút Nhiệt độ khối phản ứng ra khỏi thùng trộn sẽ là 110 ÷ 115 °C

g Ủ supe photphat ở kho ủ

Việc ủ chín supe trong kho để có tốc độ phân huỷ apatit ở kho ủ tăng nhanh hơn khi hạ thấp nhiệt độ của khối supe xuống còn 40 ÷ 50 °C, bởi khi làm nguội thì Ca(H2PO4)2.H2O sẽ kết tinh khỏi pha lỏng, độ quá bão hoà pha lỏng giảm hoạt độ axit tăng làm cho tốc độ phản ứng tăng

Trong thực tế sản xuất người ta làm nguội supe bằng cách đánh tung supe trong không khí trên đường vận chuyển từ phòng hoá thành đến kho ủ, và định kỳ đảo trộn supe trong kho bằng cầu trục

Việc đảo trộn, đánh tơi supe nhằm mục đích:

- Làm nguội supe đến nhiệt độ thích hợp

- Hơi nước và khí Flo dễ thoát ra làm giảm độ ẩm của supe và hạ nhiệt độ

Trang 23

- Supe được đảo trộn đều, tơi, xốp và đồng nhất hơn do đó tính chất vật lý của supe được tăng lên

h Trung hoà supe photphat

Sản phẩm supe photphat có chứa một lượng axit photphoric tự do Axit này

sẽ làm tăng khả năng hút ẩm của supe photphat Để trung hoà axit tự do có thể dùng biện pháp trộn supe photphat với các chất phụ gia rắn trung tính (bột xương, bộ apatit, bột đá vôi, đôlômit…) hoặc đem amôn hoá, tức là chế biến với hơi NH3

Các biện phát này làm cho tính chất vật lý của supe photphat tốt hơn : giảm

độ ẩm, độ hút ẩm, độ kết tinh Khi amôn hoá thì tăng thêm một nguyên tố dinh dưỡng cho cây trồng

1.5.2 Công đoạn điều chế supe photphat

1.5.2.1 Điều chế supe photphat và trung hoà đợt 1

- Nguyên liệu: axit H2SO4 có nồng độ 90% được bơm từ kho chứa axit về xí nghiệp supe và được chứa ở thùng lớn Từ thùng chứa axit được bơm lên thùng cao

vị chứa axit, ở đây có bố trí một đường ống chảy tràn để duy trì mức axit không đổi, axit từ thùng cao vị được đưa xuống thùng pha loãng để pha loãng axit với H2O Nước: được bơm vào thùng cao vị nước và cũng được đưa xuống thùng pha loãng để pha loãng với axit

- Axit sau khi được pha loãng sẽ có nồng độ khoảng 68 ÷ 69% được đưa vào thùng trộn

Bột apatít: sau khi nghiền với độ ẩm khoảng 1 ÷ 2,5% (3,5 ÷ 4 với quặng tuyển) và với độ mịn khoảng 5% trên sàng 0,15mm sẽ được đưa lên băng tải đưa vào Boong ke bột apatít

Apatít và axit H2SO4 được trộn với nhau nhờ bộ khuấy trộn để tạo điều kiện cho quá trình phản ứng phân huỷ và tạo thành bùn trong thùng trộn khi phản ứng ở giai đoạn 1:

Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 2,5 H20 = 3H3PO4 + 5CaSO4.0,5H2O + 2HF

Trang 24

Bột sệt từ thùng trộn được lưu lại trong khoảng từ 3 ÷ 4 phút sau đó được đưa xuống thùng hoá thành Tại đây phản ứng I tiếp tục xảy ra khoảng 20 phút cho tới khi hết axit H2SO4 thì tiếp tục phân giải II của quá trình phản ứng

Ca5F(PO4)3 + 7H3PO4 + 5 H20 = 5Ca(H2PO4)2.H2O + HF Bột sệt ở thùng hoá thành từ 1,5 ÷ 2 giờ, tại đây khối supe phôt phát nhanh tróng bị đóng rắn và được dỡ ra khỏi phòng hoá thành nhờ hệ thống dao cắt Caluxen quay ngược chiều quay của thùng hoá thành supe phốt phát trong thùng hoá thành sẽ được cắt nhỏ ra và được gạt vào ống trung tâm để đưa xuống băng tải supe tươi rồi qua thiết bị đánh tung đưa vào kho ủ Việc trung hoà Supe tươi đợt I được thực hiện ngay trên băng tải vận chuyển supe tươi ra kho ủ Bột dùng trung hoà đợt I lấy từ băng tải trung gian, qua hệ thống vít vận chuyển được các van đĩa định lượng rơi xuống phía cuối băng tải vận chuyển Supe tươi ra kho, lượng bột sử dụng để trung hoà hoà đợt I cho supe tươi là 2% Dùng bột trung hoà là bột apatít khô hoặc bột đá vôi 98% CaCO3

1.5.2.2 Ủ và trộn Supe trong kho và trung hoà đợt II

Supe tươi và apatit do máy đánh tơi tung ra kho, được cầu trục múc gom thành đống trong kho ủ Thời gian ủ cần thiết trong kho từ 6 ÷ 21 ngày Trong thời gian ủ supe sẽ kết hợp đảo trộn và trung hoà đợt hai, quặng trung hoà là bột apatít,

số lần đảo trộn tối thiểu là ba lần Nếu Supe vón cục và chưa đạt tiêu chuẩn (P2O5

hữu hiệu, P2O5 tự do) ta sẽ đánh tung đợt hai, tránh độ tự do cao (P2O5 tự do > 4%)

để khỏi làm hư hỏng các phương tiện vận chuyển Supe về nơi tiêu thụ

1.5.2.3 Xuất Supe lên phương tiện vận chuyển

Supe phốt phát sau khi đảo trộn, trung hoà và ủ trong kho đạt tiêu chuẩn (P2O5 hh ≥ 16,5%, P2O5 tự do ≤ 4%) ta có thể đóng bao xuất kho, supe được cầu trục múc

lên bun ke chứa để xuất lên ôtô hoặc đóng thành bao quy cách

Trang 25

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG

VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐIỀU CHẾ SUPE LÂN

2.1 Tổng quan về hệ thống thiết kế

Với các phân tích nêu trên, tác giả đã đưa ra giải pháp xây dựng hệ điều khiển tập trung sử dụng bộ điều khiển khả trình kết hợp với máy tính điều khiển và giám sát Cấu hình của hệ thống được mô tả như hình sau:

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ đo lường và điều khiển trong điều chế Supe lân

Bảng thống kê các đầu vào/ra:

TT Các đầu vào/ra Loại tín hiệu Số lượng Ghi chú

1 Đầu vào analog analog 4

2 Đầu ra analog analog 4

3 Đầu vào digital digital 56

4 Đầu ra digital digital 48

- Cấp hiện trường: hệ thống này có các điểm đo và điều khiển

+ Các tín hiệu từ Sensor được đưa qua bộ biến truyền (Transmitter) để đưa tới cấp điều khiển (đối với tín hiệu tương tự) và có đệm cách li đối với các tín hiệu logic (chẳng hạn trạng thái hoạt động của một động cơ nào đó trong hệ thống)

PC RS232 RS232/RS485 RS485

S S A Cấp hiện trường

Cấp điều khiển

Cấp điều khiển, giám

sát và thu thập số liệu

PC - Personal Computer PLC - Programmable

Trang 26

+ Các Actuator cũng nhận các tín hiệu điều khiển từ cấp điều khiển để điều khiển đối tượng (chẳng hạn nếu tín hiệu điều khiển đưa ra để điều khiển độ mở của van là: 4 - 20mA sẽ tương ứng với góc mở của van từ: 0 - 100%)

- Cấp điều khiển: là bộ điều khiển PLC có chức năng xử lí, tính toán từ các giá trị

đầu vào (nhận được từ Sensor) để đưa ra các quyết định điều khiển, cảnh báo đồng thời cấp này thường xuyên gửi các thông tin trạng thái của các thiết bị ở cấp trường và của chính nó lên cấp trên thông qua cổng truyền thông RS485

- Cấp điều khiển, giám sát và thu thập số liệu: là máy tính PC với các chức

năng cơ bản sau:

+ Điều khiển quá trình: người vận hành có thể thay đổi các chế độ điều khiển, thay đổi các giá trị đặt trước, có thể can thiệp tới từng điểm (Tag) trong hệ thống Đặc biệt có thể đưa ra yêu cầu cho quá trình như: năng suất của hệ thống phải đạt 90T/h với giá trị đặt đó cấp điều khiển sẽ phải tính toán để điều khiển các nguyên liệu đầu vào thích hợp theo giá trị đặt trước đó

+ Giám sát quá trình: người vận hành có thể giám sát tình trạng hoạt động của tất cả các thiết bị trong hệ thống

+ Chuẩn đoán quá trình: cấp này có thể đưa ra các cảnh báo về quá trình (chẳng hạn như sự thiếu hụt của một số nguyên liệu đầu vào )

+ Thu thập số liệu: cấp này sẽ thu thập, lưu trữ lượng tiêu tốn của nguyên liệu đầu vào cũng như sản lượng đầu ra

2.2 Bài toán công nghệ

2.2.1 Phối liệu công nghệ

Theo công nghệ thì công thức điều chế supe lân tiêu chuẩn được tính như sau:

Qlan.CH(t/h) = Qapatit.100%(t/h) + QH2SO4.100%(t/h) = M0 x Qlan (t/h) + N0 x Qlan (t/h) Trong đó :

Trang 27

Qapatit.100%(t/h) Năng suất bột apatit có độ ấm 0% đổ vào thùng trộn (đơn vị T/h)

M0 : hệ số phản ánh tình trạng trộn phối liệu của bột apatit có độ ẩm 0%

N0 : hệ số phản ánh tình trạng trộn phối liệu của axit sunfuric nồng độ 100% Gọi K0 = M0/N0 là tỷ lệ trộn phối liệu giữa bột apatit có độ ẩm 0% và axit sunfuric nồng độ 100%

Thông thường theo công nghệ điều chế lân chuẩn thì các thông số như sau:

M0 = 0.672 N0 = 0.328 K0= 2.05 Nhưng trong thực tế axit đổ vào thùng trộn không phải là axit có nồng độ 100%, mà là axit có nồng độ nằm trong giải từ 66 - 69% là kết quả của sự pha trộn giữa nước và axit có nồng độ từ 75 - 78% được bơm từ khu điều chế Axit sang Mặt khác bột đổ vào thùng trộn cũng không phải bột có độ ẩm 0% mà nó có một độ ẩm nhất định H% nào đó Vì vậy công thức phối liệu cho bài toán supe lân là như sau:

Qlan(t/h) = Qapatit.H%(t/h) + QH2SO4.C% (t/h)

Trong đó:

Qlan(t/h) = QlanCH(t/h) + QH2O (QH2O thành phần của nước trong supe lân)

Qapatit.H%(t/h) = Qapatit.100%(t/h) + QH2OA (QH2OA thành phần của nước trong bột apatit)

QH2SO4C% (t/h) = QH2SO4.100% (t/h) + QH2OB (QH2OB thành phần của nước trong axit)

Từ các thông số chuẩn công nghệ cho trước M0, N0, K0, C0 và năng xuất supe yêu cầu QlanCH của nhà sản xuất, để tạo ra Supe lân tiêu chuẩn từ bột apatit có độ ẩm H% và axit có nồng độ C% thì năng suất của các thành phần trước khi đổ vào thùng trộn được tính theo công thức sau:

QapatitH%(t/h) = M x QlanCH(t/h) = M0 x QlanCH(t/h) x 100/(100-H)

Trang 28

Vì vậy trên thực tế các thông số M.N.K,C là các thông số lựa chọn để cài đặt

và chạy máy còn các hệ số M0, N0, K0, C0 gọi là các thông số chuẩn việc lựa chọn các thông số này tuỳ thuộc vào sản xuất ra các loại supe khác nhau và chúng được dựa vào các yếu tố cơ bản sau:

+ Hàm lượng P205 chung và độ ẩm H% của bột apatit trước khi vào trộn + Độ sệt của dung dịch trong thùng trộn

+ Hàm lượng P205 tự do của supe tươi

+ Hàm lượng P205 và hệ số phân hủy của supe thành phẩm

2.2.2 Vấn đề công nghệ cần giải quyết

Với giải thông số đầu vào luôn thay đổi cũng như các thông số đầu ra lại tùy thuộc vào sự lựa chọn của công nghệ sản xuất, để đảm bảo đưa ra đúng chất lượng sản phẩm cũng như năng suất thì cần giải quyết được những yêu cầu sau:

+ Từ các thông số công nghệ lựa chọn các thông số chuẩn M0, N0, K0, C0thích ứng để điều chế ra loại supe mong muốn

+ Từ các thông số nguyên liệu đầu vào và các thông số chuẩn đưa ra các thông số chạy điều chế thực tế M, N, K, C %

+ Trong quá trình điều chế phải thường xuyên phân tích các thông số đầu vào cũng như đầu ra để quay lại điều chỉnh các thông số chuẩn và thông số chạy máy

+ Đo lường liên lục và chính xác các thông số chính sau:

* Nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng và năng suất của axit sau khi pha loãng

* Năng suất của bột apatit đổ vào thùng trộn

+ Điều khiển tự động và liên tục các cơ cấu chấp hành cấp liệu sao cho ổn định các thông số chạy máy như: nhiệt độ T0, lưu lượng F, nồng độ C%, năng suất Q của axit và năng suất của bột đổ vào thùng trộn mà vẫn bảo đảm được tỷ lệ phối liệu

Để hiểu rõ hơn bản chất của sự việc ta sẽ di khảo sát ảnh hưởng của độ âm bột đến các thông số chạy máy như thế nào, cụ thể như sau:

Giả sử các thông số nguyên liệu đầu vào đã được xác định và hệ thống đang được chạy với các thông số sau đây

Trang 29

Với các điều kiện như trên thì thông số chạy máy là: M = 0,672;

N = 0,482; K = 1,394 Theo công thức điều chế:

Qlân(t/h) = QH2SO4.100%(t/h) + Qapatit.100%(t/h) = 0,328.Qlân(t/h) + 0,672.Qlân(t/h)

Để điều chế năng suất Supe lân, Qlân = 50T/h thì năng suất apatit Qapatit.100% = 33,6T/h; năng suất axit 100%: Qaxit.100% = 16,4T/h (tương đương năng suất axit 68% là: Qaxit = 24,12T/h; trong đó thành phần nước là 7,72T/h và tỷ lệ trộn thực tế là: K1

= 33,6/24,12 = 0,4824)

Khi độ ẩm bột tăng 4% nghĩa là thành phần nước tham gia quá trình điều chế tăng 4%, để giữ nguyên năng suất thành phẩm Supe là 50T/h và tỷ lệ phối liệu K0 như trên thì năng suất bột độ ẩm 4% phải là: 35T/h thành phần nước trong bộ sẽ là 1,4T/h Trong quá trình trộn thành phần nước này sẽ làm loãng thêm axit Vậy để giữ nguyên

tỷ lệ axit là 16,4T/h cũng như nồng độ axit trong quá trình trộn là 68%, thì thành phần nước trong axit pha loãng trước khi đổ vào thùng trộn chỉ còn là: 7,72 - 1,4 = 6,32T/h Như vậy, năng suất axit pha loãng trước khi đổ vào thùng trộn chỉ còn: 16,4 + 6,32 = 22,72T/h, nhưng với nồng độ là: 16,4/22,72 * 100% = 72, 18%

Như vậy, thực tế chạy máy khi bột ẩm tăng 4%, để giữ nguyên năng suất điều chế

và các thông số chuẩn thì các thông số chạy máy sẽ thay đổi cụ thể như sau:

M = 0,7; N = 0,454; K =1,542; C = 72,18%

2.3 Thiết kế hệ do lường điều khiển công đoạn điều chế Supe lân

2.3.1 Biện pháp đo lường và điều khiển cung cấp axit H 2 SO 4 vào thùng trộn

Để khống chế quá trình phối liệu theo như công nghệ bắt buộc phải đo lường liên tục chính xác nồng độ C% và năng suất axit H2SO4 C% của axit pha loãng trước khi đổ vào thùng trộn, đồng thời phải điều khiển liên tục quá trình pha loãng

và cung cấp axit xuống thùng trộn để luôn ổn định nồng độ C% và năng suất axit bảo đảm chất lượng và năng suất Supe điều chế Biện pháp đo lường và điều khiển năng suất Axit như sau:

a Đo nồng độ axit C%

Hiện tại chưa có một thiết bị đo trực tiếp nồng độ dung dịch axit, mà phải do gián tiếp qua độ dẫn của chúng Độ dẫn của dung dịch axit phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ và nhiệt độ dung dịch Mối quan hệ này là phi tuyến Vậy để xác định liên tục và chính xác nồng độ tôi sử đụng các thiết bị đo nồng độ như sau:

Trang 30

- Thiết bị đo nhiệt độ axit sau pha loãng (lắp trên đường ống dẫn xuống thùng trộn)

- Thiết bị đo độ dẫn axit sau pha loãng (lắp trên đường ống dẫn xuống thùng trộn)

- Thiết bị biến đổi hai đầu vào là nhiệt độ và độ dẫn, thông qua các sử lý tính toán và hiệu chỉnh bằng các hàm toán học để đưa ra chính xác nồng độ dung dịch axit, dưới dạng chỉ thị số và tín hiệu điện Vị trí lắp đặt tại buồng điều khiển trung tâm Hình vẽ đặc tính độ dẫn phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ axit

Hình 2.2 Đặc tuyến độ dẫn – nồng độ phụ thuộc vào t 0 của axit

b Xác định năng suất dung dịch axit H 2 SO 4 theo đơn vị T/h

Xác định khối lượng các dung dịch có dòng chảy liên tục, phương pháp đo gián tiếp phổ biến hay được áp dụng là: đo lưu lượng F(m3/h) và tỷ trọng R(T/m3) của dung dịch Năng suất axit sẽ được tính theo công thức sau:

QT/ h = R(T/m3) x F(m3/h) Mặt khác, tỷ trọng dung dịch axit lại phụ thuộc rất nhiều vào: nhiệt độ và nồng độ axit Mối quan hệ này là phi tuyến

Vậy để xác định liên tục và chính xác năng xuất axit, tôi sử dụng các thiết bị

đo và biến đổi như sau:

Trang 31

- Thiết bị đo lưu lượng dung dịch axit pha loãng, kiểu từ tính, lắp trên đường ống dẫn xuống thùng trộn

- Thiết bị đo nhiệt độ và nồng độ axit sau pha loãng (đã nêu ở phần đo nồng

độ axit)

- Thiết bị biến đổi đặc tính 3 vào/2 ra: dựa trên các tín hiệu vào: lưu lượng F, nhiệt độ t, nồng độ C% Sử lý tính toán hiệu chỉnh đường cong đặc tính thông qua hàm toán học hay tra bảng và đưa ra chính xác năng suất axit pha loãng Từ năng suất axit pha loãng, kết hợp với nồng độ đưa ra năng suất axit nguyên chất 100% liên tục dưới dạng chỉ thị số, tín hiệu điện để cho phép ghép nối với các thiết bị xử

lý liếp theo

c Điều khiển pha loãng và lưu lượng axit để ổn định nồng độ C%, năng suất axit

Nổng độ axit do các xưởng A1, A2 cấp sang khu điều chế Supe có nồng độ

từ 75 - 78% được bơm thẳng tới thùng cao vị tại khu điều chế Theo công nghệ sản xuất thì nồng độ axit đổ vào thùng trộn phải nằm trong khoảng 66-69% như vậy phải dùng nước để pha loãng thêm axit Mặt khác cũng phải điều chỉnh lưu lượng axit loãng đổ vào thùng trộn để đảm bảo năng suất axit theo đúng tỷ lệ công nghệ Quá trình pha loãng và điều khiển lưu lượng axit có liên quan chặt chẽ với nhau, khi thay đổi lưu lượng nước pha loãng để đạt nồng độ C% thì dẫn đến năng suất thay đổi và ngược lại khi thay đổi lưu lượng axit dẫn đến nồng độ thay đổi Để đạt được yêu cầu tôi thực hiện qua các thiết bị sau:

- Một van cầu điện khí điều khiển góc mở vô vấp trên đường ống dẫn nước

từ thùng cao vị đến ống pha loãng

- Một van cầu điện khí điều khiển góc mở vô cấp trên đoạn đường ống dẫn axit từ thùng cao vị đến ống pha loãng

- Lắp đặt các thiết bị báo mức axit, mức nước ở tại các thùng cao vị, và đưa

về chỉ thị tại hệ thống

- Lắp đặt thiết bị điều khiển van nước Thiết bị này thu nhận tín hiệu nồng độ

xử lý đưa ra tín hiệu điều khiển góc mở van thích hợp, đảm bảo nồng độ ổn định theo yêu cầu, có thể điều chỉnh theo luật PH)

Trang 32

- Lắp đặt thiết bị điều khiển van axit Thiết bị này thu nhận tín hiệu lưu lượng xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển góc mở van thích hợp, đảm bảo năng suất axit ổn định theo yêu cầu, có thể điều chỉnh theo luật PH)

- Lắp đặt thiết bị điều khiển tương quan, thiết bị này thu nhận 2 tín hiệu: nồng độ và năng suất axit, xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển góc mở van axit

và van nước, luôn đảm bảo mối quan hệ tương quan giữa hai đại lượng

Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển axit:

Trang 33

AC-AI

AR-AI AT-AI

AF SMAW CRD

-ΣA

ARD

WICP

AICP WVPS

Trang 34

Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển axit

Trang 35

Trong đó:

Kí hiệu Chức năng

- ACS: Đầu đo độ dẫn axit pha loãng

- ATS: Đầu do nhiệt độ axit pha loãng

- AFS: Đầu đo lưu lượng axit pha loãng

- ACT: Bộ biến truyền độ dẫn axit

- AFD: Bộ biến truyền lưu lượng axit

- AC-CC: Bộ biến đổi dẫn thành nồng độ axit

- ATI: Bộ chỉ thị nhiệt độ axit

- AF-RC: Bộ biến đổi lưu lượng thành năng suất axit

- AC-AI: Bộ thu nhận tín hiệu tương tự nồng độ axil vào hệ PLC

- AT-AI: Bộ thu nhận tín hiệu tương tự nhiệl độ axit vào hệ PLC

- AR-AI: Bộ thu nhận tín hiệu năng suất axit vào hệ PLC

- CPU314: Bộ xử lý trung tâm lập trình PLC S7-300

- AC-IC: Bộ chỉ thị điều khiển nồng độ cục bộ

- AC-AO: Bộ đưa tín hiệu điều khiển nồng độ axit từ PLC

- AR - IC: Bộ chỉ thị và điều khiển năng suất axit cục bộ

- AR-AO: Bộ đưa tín hiệu điều khiển năng suất từ PLC

- AC-SMSW: Chuyển mạch lựa chọn chế độ điều khiển nồng độ axit tay/ bán

tự động/ từ động

- AF-SMAW: Chuyển mạch lựa chọn chế độ điều khiển lưu lượng axit tay/

bán tự động/ từ động

- W-IPC: Bộ biến đổi dòng - áp điều khiển van nước

- A-IPC: Bộ điều khiển dòng - áp điều khiển van axit

Trang 36

- WV: Van nước kiểu điện khí

- AV: Van axit kiểu điện khí

- WVPS: Các bộ phát hiện giới hạn góc mở van nước

- AVPS: Các bộ phát hiện giới hạn góc mở van axit

- WTLS: Các bộ phát hiện mức đầy cạn thùng cao vị nước

- ATLS Các bộ phát hiện mức đầy cạn thùng cao vị axit

- CRD,ARD,TRD: Bộ tự ghi giá trị nồng độ, năng suất, nhiệt độ axit pha loãng

- ∑A: Bộ lích luỹ khối lượng axit đã điều chế

2.3.2 Biện pháp đo lường và điều khiển năng suất bột Apatit

Các hệ thống cân định lượng có 2 dạng: thùng cân định lượng và cân băng định lượng Cả hai loại đều xác định khối lượng (kg, T) và năng suất (T/h) đi qua cân nên có thể bỏ qua được thông số tỷ trọng của bột Đối với hệ thống cấp bột apatit xuống thùng trộn như hiện tại sử dụng băng tải điều khiển năng suất bằng cách thay đổi tốc độ động cơ thông qua biến tần Mô hình cân băng định lượng như hình vẽ dưới đây:

Trang 37

Hình 2.4 Mô hình cân băng định lượng

Các thiết bị gồm:

1 Van ngăn kéo đóng mở bằng tay thay đổi độ thoát bột

2 Boong ke trung gian đảm bảo hứng bột từ xilô chảy vào băng

3 Cửa thoát liệu điều chỉnh khe hở liệu thô bằng tay

4 Bộ phận cơ khí cân băng

5 Các dàn con lăn đỡ băng

6 Bộ phận che chắn liệu dọc băng

7 Cơ cấu gá lắp và dàn con lăn cân

8 Đầu đo khối lượng

9 Bộ thu nhận tốc độ dịch chuyển băng

10 Bộ biến đổi tần số - tốc độ

11 Bộ xử lý điện tử thông minh cân băng định lượng

12 Bộ điều khiển năng suất cân theo hàm PID

13 Bộ biến tần điều khiển moto băng tải 3 pha AC

14 Mo to điều khiển truyền động cân băng

15 Bộ tích lũy khối lượng bột đã qua cân băng

số Motor

MUS

BWCU

PRC MFC

FSC M1

Trang 38

a Nguyên lý cơ bản xác định khối lượng vận chuyển liên tục của cân băng định lượng

Khối lượng nguyên liệu hàng hóa vận chuyển trên băng tải trong thời gian vận chuyển 0 - t được biểu diễn dưới dạng biểu thức sau:

Q = ∫t w v dt

0

- dt: Vi phân thời gian

Đối với cân thực hiện theo thuật toán số, thì việc xác định khối lượng cân băng thực hiện như sau:

Theo công thức trên, nếu L là khoảng dịch chuyển cân băng trong khoảng thời gian từ 0 - t, thì công thức có thể biến đổi thành:

Q = ∫

L

dl w

Q = ∑ =∑

i i

w k

.

Trong đó:

- n: Số lần dịch chuyển trong khoảng cách L (L=n x dl)

- k: Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số truyền tải, hệ số khuếch đại

Từ khối lượng Q ta có thể dễ dàng tính năng suất theo công thức sau:

q = Q x T/t ( kg/h)

Trang 39

Trong đó:

Q : Khối lượng vận chuyển trong khoảng thời gian t

t: Đơn vị thời gian tính khối lượng (s)

T : Đơn vị thời gian tính năng suất

b Nguyên lý làm việc của cân băng định lượng

Do cấu tạo của cân băng định lượng nên khi tốc độ tăng thì kéo theo lượng bột cũng tăng Chính vì vậy, việc diều khiển lượng bột cung cấp được điều khiển thông qua tốc độ cân băng định lượng Lượng bột trước khi đi vào thùng trộn sẽ đi qua hệ thống cân băng định lượng, hệ thống này sẽ xác định lượng bột xuống để quay lại điều khiển tốc độ động cơ

Khi ta khởi động cân (chạy moto cân băng định lượng) và vật liệu được rót xuống băng tải Khi đó vật liệu chạy dọc theo băng tải sẽ sinh ra một lực nén xuống 2 LoadCell, làm cho mạch cầu trong LoadCell ban đầu là cân bằng sẽ thay đổi một giá trị mV nào đó tuỳ thuộc vào khối lượng vật liệu rót xuống băng tải Giá trị điện áp mV này được đưa về bộ junlion box (jb) làm nhiệm vụ cộng tín hiệu LoadCell đưa về bộ tích phân BW100 (tại phòng điều khiển trung tâm) Đồng thời khi băng tải chạy bộ biến tốc độ cũng sinh ra các xung đưa về

bộ jb và đưa về bộ BW100 Bộ BW100 sẽ làm nhiệm vụ tính toán (cơ sở tính toán được trình bày ở trên) Tại đây sẽ chỉ thị tốc độ, năng suất, khối lượng tích lũy, đồng thời đưa ra tín hiệu 4-20mA (tương ứng với năng suất bột lừ 0- max) đưa về UT350 để hiện thị năng suất cân tức thời và đưa về bộ xử lý trung tâm PLC Đồng thời từ bộ UT 350 cũng đưa một dòng điều khiển 4-20mA về biến tần để cho phép điều khiển tốc độ động cơ từ UT350 Tại bộ biến tần cũng

có một triết áp để điều khiển tốc độ động cơ Việc lựa chọn điều khiển tốc độ động cơ cân băng định lượng theo triết áp, UT350, PLC phụ thuộc vào chuyển mạch chọn chế độ điều khiển cân được lắp trên bàn điều khiển

c Hiệu chuẩn cân

Để đảm bảo độ chính xác của cân sau một khoảng thời gian làm việc nhất định ta phải thực hiện phép kiểm chuẩn cân theo 2 phương pháp sau:

Trang 40

- Kiểm chuẩn theo chế độ tải tĩnh: thực hiện kiểm chuẩn với các thanh chuẩn bằng cách đưa các thanh chuẩn vào, sau đó cho chạy các tốc độ khác nhau và kiểm tra sự hiển thị của cân đã chính xác hay chưa bằng cách tính như sau:

Năng suất = Tải x tốc độ Trong đó thanh chuẩn đi kèm cân là: 12,25kg/m

- Kiểm chuẩn theo chế độ động: kiểm tra theo tải thực tế bằng cách đưa vật liệu thực tế vào và kiểm tra sự hiển thị của cân bằng cách tính toán năng suất theo công thức trên trong đó khối lượng liệu thực tế được cân thực tế và so sánh với số tích luỹ của cân

d Sơ đồ mạch đo lường và điều khiển bột Apatit

Hình 2.5 Sơ đồ mạch đo lường và điều khiển bột Apatit

PRD

PR-IC BS-

CMSW

ΣP BWCU

T

N Hiện Trường

BMS

PLC S7-300

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	4,92 MB

nghiên cứu, thiết kế hệ đo lường và điều khiển cho dây chuyền điều chế supe lân tại công ty supe phốt phát và hóa chất lâm thao

Tính năng của hệ thống

Máy tính điều khiển giám sát