Nghiên cứu tính toán và mô hình hóa thiết bị phản ứng trong dây chuyền sản xuất DAP

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 toán và mô hình hóa thiết bị phản ứ

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

-

Nguyễn Quang Thành

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH HÓA 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 TOÁN VÀ MÔ HÌNH HÓA THIẾT

BỊ PHẢN ỨNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT HÓA HỌC

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 toán và mô 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 tháng năm

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nên trong Luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ các phần tham khảo được nêu rõ trong Luận văn

-

ơn và ngưỡng mộ

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất, cùng toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, ủng hộ trong suốt thời gian làm luận văn

Hà Nội, Tháng năm 2017

Học viên

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 BÓN 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 Công dụng chính 10

1.2.3 Nguyên liệu sản xuất 10

1.2.4 Cơ sở hóa học 11

1.3 Công nghệ sản xuất DAP trên thế giới 12

1.3.1 Các quá trình trong công nghệ sản xuất DAP 12

1.3.2 Các công 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 Mô tả khái quát 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

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH HÓA 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 toán 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 TOÁN CHO MỘT TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT DAP CÔNG SUẤT 330.000 TẤN/ NĂM 49

PHỤ LỤC 2 MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 74

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 trò rất quan trọng cho nông 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 toán 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 toàn bộ các thầy cô giáo trong bộ môn Máy và Thiết Bị Công 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 còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý, phê bình của các thầy cô 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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Ri Vận tốc phản ứng chuyển hoá chất i mol/l.s

2 Xi Độ chuyển hóa của chất i

11 Qc Nhiệt lượng cần cấp cho lưu thể vào kJ/h

14 CA Nhiệt dung riêng của môi chất A kJ/Kg.độ

15 Qe Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường kJ/h

17 mi Khối lượng NH3 tiêu tốn cho phản ứng i kg/h

18 Δhi Hiệu ứng nhiệt của phản ứng i kJ/kgNH3

21 CLP Nhiệt dung riêng của hơi thấp áp kJ/Kg.độ

25 Ml Tổng khối lượng lưu trong thiết bị kg/h

STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị

29 Mdsr Khối lượng dịch sau rửa trừ H3PO4 và H2SO4 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

39 ki Hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng (i) 1/h

STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị

79 h Khoảng cách tầng dưới cánh khuấy và đáy m

STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị

83 ξk Hệ số công suất

86 η Hiệu suất chung

87 ηtd Hiệu suất truyền động

88 ηđc Hiệu suất động cơ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Phân bón DAP

Hình 2 Dây chuyền sản xuất DAP

Hình 3 Lưu đồ khối của công nghệ sản xuất

Hình 4 Minh họa một thiết bị làm việc gián đoạn

Hình 5 TBPƯ bán liên tục

Hình 6 Mô hình đẩy lý tưởng

Hình 7 Mô hình khuấy lý tưởng

Hình 8 Sơ đồ công nghệ sản xuất DAP

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN 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 khô)

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 công 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

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 quá 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 thông thường có tính kiềm hoặc tính axit thì phân DAP được hình thành trên cơ

sở phản ứng trung hòa nên nó là trung tính tốt cho cây và không 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:

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 hòa acid trong quá 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

Ngoài 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

1.3 Công nghệ sản xuất DAP trên thế giới

Diammonium phosphate – DAP là loại phân bón phức hợp giàu dinh dưỡng, dễ hòa tan trong nước, không có tạp chất làm chai cứng đất Để sản xuất phân DAP chỉ có một phương pháp duy nhất là phương pháp trung hòa

Phản ứng chính được thể hiện bằng phương trình:

Về công nghệ sản xuất, phần lớn các quá trình công 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 quá trình trong công nghệ sản xuất DAP

Công nghệ sản xuất DAP trên thế giới hiện nay có 2 quá trình chủ yếu là:

- Quá trình khô

- Quá trình ướt

1.3.2 Các công 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 quá trình này Acid phosphoric được trung hòa một phần bằng ammonia ở thiết bi ̣ trung hòa (tạo bùn), phần còn lại được trung hòa hoàn toàn trong thiết bị tạo hạt Quá trình này có tên gọi là quá trình bùn TVA thông 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 quá trình bùn thông thường là phản ứng trung hòa acid phosphoric không những xảy ra trong thùng trung hòa sơ bộ mà còn xảy ra một lượng lớn trong thiết bi ̣ phản ứng kiểu ống Quá trình này có các công đoạn là:

 Công đoạn tiền trung hòa và phản ứng ống

 Công đoạn rửa khí kép

 Công đoạn khử bụi

 Công đoạn bốc hơi ammonia

 Công đoạn làm lạnh khí bằng ammonia

Hình 2 Dây chuyền sản xuất DAP

Bùn đã trung hòa nhận được trong quá trình phản ứng ống có đặc tính vật lý tốt hơn

so với quá trình thông thường cụ thể là:

 Hàm lượng nước thấp

 Nhiệt độ cao

 Bùn được phun mù vào một dòng xoáy của hơi nước

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

2.1 Phân loại phản ứng hóa học

STT Tiêu chuẩn phân loại Loại phản ứng hóa học

2 Số phân tử tham gia phản ứng  Phản ứng đơn phân tử

 Phản ứng hai, đa phân tử

 Phản ứng bậc số nguyên, bậc phân số

4 Điều kiện thực hiện phản ứng  Phản ứng đẳng tích, đẳng nhiệt, đẳng áp,

đoạn nhiệt,

 Phản ứng gián đoạn, liên tục, bán liên tục

5 Trạng thái pha của hệ phản ứng

 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

2.2 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 công 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 ,

Trong đó: 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

 Nhiệt độ phản ứng: có thể từ nhiệt độ phòng 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

 Đặc điểm của thiết bị phản ứng

Do trong TBPƯ các quá trình hoá 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

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 thông 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

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 quá trình không 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 dòng chảy Ta có thời gian lưu trung bình theo định nghĩa sau

Là mô hình dòng 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 CA 0đến đầu ra là

CA L

Hình 6 Mô hình đẩy lý tưởng

b Mô hình khuấy lý tưởng

Là mô hình dòng 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 mô 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 mô hình khuấy lý tưởng cần có thể tích VR lớn hơn nhiều so với mô hình đẩy lý tưởng, đặc biệt khi

X yêu cầu cao

Hình 7 Mô 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 công nghiệp cũng hay gặp hệ nhiều pha: khí - lỏng - rắn, lỏng - lỏng - rắn

2.2.6.4 Theo chế độ nhiệt

 Đoạn nhiệt

+ Không 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:

+ Thường gặp ở các thiết bị có khuấy trộn tốt

+ Trong tài liệu đôi khi gọi thiết bị phản ứng xúc tác khí - rắn dạng ống chùm có bề mặt trao đổi nhiệt lớn là thiết bị tựa đẳng nhiệt, tuy vậy ở thiết bị loại này vẫn tồn tại gradien nhiệt độ theo đường kính và hướng trục ống xúc tác

 Tự nhiệt:

+ Hay dùng khi có thể vì đơn giản và kinh tế

+ Phản ứng toả nhiệt đủ lớn và có khả năng trao đổi nhiệt phản ứng với nguyên liệu vào để đạt nhiệt độ mà phản ứng có thể tiến hành

 Chế độ nhiệt theo qui hoạch:

+ Thường dùng để đạt chế độ nhiệt tối ưu cho quá trình phản ứng

+ Gặp ở thiết bị loại ống, thiết bị có nhiều ngăn đoạn nhiệt và hệ thống nhiều thiết

bị khuấy nối tiếp

2.2.7 Ứng dụng mô hình thiết bị phản ứng trong nhà máy sản xuất phân bón

Hiện nay, chỉ có một số ít nhà máy hóa chất hoạt động sử dụng cả 2 mô hình thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng và đẩy lý tưởng Trong số đó, điển hình là nhà máy sản xuất phân bón DAP, với thiết bị phản ứng tiền trung hòa hoạt động dựa trên nguyên lý của thiết

bị phản ứng khuấy lý tưởng và thiết bị phản ứng ống hoạt động dựa trên nguyên lý của thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng Do đó, luận văn xin phép được nghiên cứu tính toán thiết

kế cho hai thiết bị trên của nhà máy sản xuất phân bón DAP Bởi hiện tại ở Việt Nam 100% các thiết bị này đều phải nhập khẩu nguyên chiếc theo bản quyền của nhà cung cấp Việc tính toán thiết kế các thiết bị này phần nào giúp giải quyết vấn đề về chuyển giao công nghệ cũng như vận hành các thiết bị phản ứng nói trên

2.3 Mô tả khái quát về thiết bị phản ứng tiền trung hòa và phản ứng ống

2.3.1 Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất DAP

 Nguyên liệu sản xuất DAP:

Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất DAP là:

+ Acid phosphoric: Để sản xuất phân bón thường sử dụng H3PO4 chế tạo theo phương pháp trích ly Ngoài ra H3PO4 còn lẫn ít tạp chất do quặng mang vào không ảnh hưởng đến sự chuyển hóa của cây trồng Thường dùng axit H3PO4 nồng độ 48% P2O5

+ Ammonia: Thông thường NH3 để sản xuất DAP được lấy từ các phân xưởng tổng hợp NH3 trong các kho chứa NH3 lỏng Để trung hòa axit trong quá trình sản xuất phải chuyển NH3 lỏng thành khí Tùy thuộc phương pháp sản xuất mà áp suất, nhiệt độ của khí

NH3 được khống chế cho phù hợp Độ sạch của NH3 lỏng càng cao thì chất lượng phân bón càng tốt

Tùy theo lượng chất hữu cơ có trong axít mà hệ thống nạp chất phá bọt có thể được yêu cầu Thiết bị được cấp thêm bùn gồm huyền phù các muối thu hồi ở các bộ phận phụ trợ trong dây chuyền sản xuất đưa lại để tăng hàm lượng muối amoni photphat trong dung dịch sau trung hòa

Song song với đó là trung hòa ammonia lỏng để tạo DAP trong thiết bị phản ứng kiểu ống Nếu cần bổ sung thêm H3PO4 thì cấp thêm H3PO4 vào thiết bị phản ứng ống để đạt mức độ trung hòa và năng suất thiết bị phản ứng

Hình 8 Sơ đồ công nghệ sản xuất DAP + Bước 2: Công đoạn tạo hạt

Hệ thống tạo hạt có tác dụng chuyển bùn thành dạng hạt Quá trình tạo hạt được diễn

ra trong thiết bị tạo hạt dạng thùng quay, tại đó bùn phốt phát được phun lên một lớp liệu khô làm mầm tạo hạt Tác dụng quay tròn trong thiết bị tạo hạt làm cho bùn bám ngay trên

bề mặt hạt và nhờ quá trình tuần hoàn nên sản phẩm đồng đều, hạt tròn tạo thành theo lớp

+ Bước 3: Sấy và sàng phân loại

Sàng

Bụi phát sinh

Hạt có độ ẩm ra khỏi thiết bị tạo hạt sau khi qua sàng đục lỗ ở vỏ quay của thiết bị tạo hạt, hạt rơi xuống thiết bị sấy bằng máng dẫn Trong thiết bị sấy hạt phân bón cùng chiều với dòng khí nóng Sản phẩm sau khi sấy đưa qua máy dẫn đến gầu nâng thứ nhất và qua sàng phân loại hạt to Các sản phẩm quá cỡ được làm nhỏ bằng máy nghiền và được tuần hoàn lại cùng với các hạt nhỏ mịn qua sàng Sản phẩm ra khỏi lớp giữa của sàng sẽm được làm nguội rồi tới thiết bị bọc dầu để tránh kết dính sản phẩm Sản phẩm sau đó đưa qua máy sàng đánh bóng kép, tại đây 5÷10% hạt quá cỡ và hạt mịn cuối cùng bị loại ra Các hạt này cùng với bụi và sản phẩm loại ra được tuần hoàn lại với thiết bị tạo hạt

+ Bước 4: Đóng bao sản phẩm

Các hạt sản phẩm đạt yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật: kích thước, độ ẩm, sẽ được đưa đến hệ thống đóng bao, tại đây sản phẩm sẽ được định lượng rồi đóng bao Cuối cùng, sản phẩm được đưa về kho chứa chờ xuất ra thị trường

2.3.2 Mô tả khái quát về thiết bị phản ứng tiền trung hòa và thiết bị phản ứng ống

2.3.2.1 Mô tả khái quát về thiết bị phản ứng tiền trung hòa

 Nguyên liệu đầu vào:

Acid sulfuric, acid phosphoric, ammonia (lỏng + khí), cùng các phụ gia khác

 Sản phẩm:

MAP, DAP với tỉ lệ nguyên tử N:P vào khoảng 1,3÷1,4

 Điều kiện làm việc

Phân bón Diammonium phosphate (DAP) được tạo ra chủ yếu nhờ các phản ứng (2), (3), (5), (6) Ở nhiệt độ thường, các phản ứng này diễn ra khá chậm, sản phẩm tạo ra ở trạng thái rắn, nhớt Do vậy, để tạo ra môi trường huyền phù cũng như sản phẩm đạt tỉ lệ yêu cầu, cần tiến hành ở nhiệt độ cao

+ Nhiệt độ làm việc: 110÷120°C Do đó, cần phải nâng nhiệt độ của nguyên liệu đầu vào đến nhiệt độ làm việc Đồng thời, căn cứ vào nhiệt lượng tỏa ra ở các phản ứng để đưa ra lưu lượng hơi thấp áp thích hợp để gia nhiệt cho nguyên liệu

+ Áp suất làm việc: Bao gồm áp suất thủy tĩnh và áp suất hoạt động Áp suất hoạt động của thiết bị được tính toán thiết kế sao cho thuận lợi nhất với các phản ứng diễn ra trong thiết bị

+ Độ nhớt của môi trường: Độ nhớt của môi trường là một thông số quan trọng trong việc tính toán kích thước thiết bị, cơ cấu khuấy trộn cũng như điều kiện làm việc khác (nhiệt độ, áp suất đầu phun, ) Độ nhớt được tính toán dựa trên thành phần nguyên liệu đầu vào Trong dung dịch vào (gồm có H3PO4, H2SO4, phụ gia, tạp chất, nước công nghệ, ) cùng với lượng NH3 (cả ở dạng lỏng) dựa trên số liệu thực nghiệm đo được, thì

độ nhớt trung bình của môi trường là vào khoảng 700÷900 cP

+ Một số thông số vật lý, thông số kỹ thuật khác: pH, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng được tra từ dung dịch đầu vào,

c Kích thước hình học:

Dựa theo kích thước hình học hợp lý nhất đã được nghiên cứu từ trước, ta chọn hình dạng của thiết bị phản ứng tiền trung hòa là dạng hình trụ-côn-trụ Với một số mục đích:

+ Tăng thời gian tiếp xúc của các pha lỏng và khí

+ Giảm diện tích bề mặt ở pha lỏng

2.3.2.2 Mô tả khái quát về thiết bị phản ứng ống

a Phản ứng chính

Phản ứng chính giữa acid phosphoric, acid sulfuricvà ammonia diễn ra trong thiết bị phản ứng ống, theo phương trình:

H2SO4 + 2 NH3 (l) = (NH4)2SO4 + 1500 kcal/kg NH3 (4)

H3PO4 + NH3(l) = NH4H2PO4 + 1700 kcal/kg NH3 (5)

NH4H2PO4 + NH3(l) = (NH4)2HPO4 + 1500 kcal/kg NH3 (6)Trong thiết bị phản ứng ống chỉ diễn ra phản ứng đồng thể giữa pha lỏng của NH3 và hỗn hợp dung dịch chứa H3PO4 và H2SO4

b Nguyên lý hoạt động

 Nguyên liệu đầu vào:

Acid sulfuric, acid phosphoric trong dịch vào, ammonia (lỏng), nước, cùng các phụ gia khác,

 Sản phẩm:

MAP, DAP với tỉ lệ nguyên tử N:P vào khoảng 1,5÷1,6

 Điều kiện làm việc

Diammonium phosphate (DAP) được tạo ra chủ yếu nhờ các phản ứng (5), (6) Phản ứng tạo ra DAP dạng bùn rất nhớt, đồng thời, hệ phản ứng đang ở trong ống Do đó, để tránh đóng rắn gây tắc ống, cũng như để giảm độ nhớt của hệ, cần phải nâng đến nhiệt độ cần thiết

+ Nhiệt độ làm việc: 130÷140°C Cần phải nâng nhiệt độ của nguyên liệu đầu vào đến nhiệt độ làm việc Đồng thời, căn cứ vào nhiệt lượng tỏa ra ở các phản ứng để đưa ra lưu lượng hơi trung áp thích hợp để gia nhiệt cho phản ứng

+ Áp suất làm việc: Theo nhiều nghiên cứu thì áp suất ảnh hưởng rõ rệt đến năng suất của thiết bị phản ứng ống Phản ứng diễn ra ở áp suất khoảng 4÷6 atm là hợp lý nhất

+ Độ nhớt môi trường: Một thông số quan trọng cần được khống chế để tránh gây tắc thiết bị cũng như ống, dựa trên số liệu thực nghiệm đo được, thì độ nhớt trung bình của môi trường là vào khoảng 700÷900 cP

+ Một số thông số vật lý, thông số kỹ thuật khác: pH, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng được tra từ dung dịch đầu vào,

c Kích thước hình học

Ống phản ứng có kích thước nhỏ gồm 1 đầu phản ứng và ống phân phối bùn được thiết kế phù hợp Trong quá trình này, acid phosphoric và ammonia được trộn lẫn với

nhau, phản ứng xảy ra và tạo ra amoniphotphat, đồng thời nước bốc hơi Phản ứng này được thực hiện dọc theo ống phân phối, đồng thời bùn được hình thành, sau đó sẽ được phân phối trực tiếp tới lớp hạt có trong thùng tạo hạt

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TIỀN TRUNG HÒA VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ỐNG TRONG DÂY CHUYỀN

SẢN XUẤT DAP

3.1 Cân bằng nhiệt cho thiết bị phản ứng

3.1.1 Cân bằng nhiệt cho thiêt bị phản ứng tiền trung hòa

Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng trong thiết bị

b Nhiệt dung riêng của hỗn hợp vào

Từ các thông số về nhiệt độ và nồng độ của các chất trong dung dịch vào, ta tra được nhiệt dung riêng của các chất

c Phương trình cân bằng nhiệt

 Nhiệt lượng cần cấp cho lưu thể vào Qc (kJ/h)

Các lưu chất cần cấp là NH3, H3PO4, H2SO4 và nước

Ta có:

Qc = QNH3 + QH3PO4 + QH2SO4 + Qnước + Qe (1.6)

QNH3: Nhiệt lượng truyền cho NH3(kJ/h):

QH3PO4: Nhiệt lượng truyền cho H3PO4(kJ/h):

QH3PO4 = mH3PO4.CH3PO4.(tpu-tH3PO4) (1.8)

QH2SO4: Nhiệt lượng truyền cho H2SO4(kJ/h):

Q H2SO4 = m H2SO4.C H2SO4.(tpu-t H2SO4) (1.9)

QH2O: Nhiệt lượng truyền cho nước (kJ/h)

QH2O = mH2O CH2O.(tbh-tH2O) + i.mH2O + mh.Cph.(tpu-tbh) (1.10)

Qe: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường (kJ/h) Trong tính toán lựa chọn lượng nhiệt tổn thất ra môi trường là 20% tổng lượng Qc cho nguyên liệu

 Nhiệt lượng tỏa ra Qt (kJ/h)

Nhiệt lượng tỏa ra ở (6) phản ứng

Qi : Nhiệt lương tỏa ra ở phản ứng i (kI/h)

mi: Khối lượng NH3 tiêu tốn (kg/h)

Δhi: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng i (kJ/kgNH3)

Phương trình cân bằng nhiệt:

3.1.2 Cân bằng nhiệt cho thiêt bị phản ứng ống

Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng trong thiết bị

NH3(l) + H2SO4 = (NH4)2SO4 + 1500 kcal/kg NH3 (4)

NH3(l) + H3PO4 = NH4H2PO4 + 1200 kcal/kg NH3 (5)

NH3(l) + NH4H2PO4 = (NH4)2HPO4 + 900 kcal/kg NH3 (6)

a Nhiệt độ hỗn hợp vào

Nhiệt độ hỗn hợp vào được cấp theo đầu bài, bao gồm: H3PO4, hơi trung áp, H2SO4,

NH3 lỏng, nước công nghệ

b Nhiệt dung riêng của hỗn hợp vào

Từ các thông số về nhiệt độ và nồng độ của các chất trong dung dịch vào, ta tra được nhiệt dung riêng của các chất

c Phương trình cân bằng nhiệt

 Nhiệt lượng cần cấp cho lưu thể vào Qc (kJ/h)

Các lưu chất cần cấp là NH3, H3PO4, H2SO4 và nước

Ta có

Qc = QNH3 + QH3PO4 + QH2SO4 + Qnước + Qe (1.16)

QNH3: Nhiệt lượng truyền cho NH3(kJ/h):

QNH3 = mNH3.CNH3.(tpu-tNH3)

QH3PO4: Nhiệt lượng truyền cho H3PO4(kJ/h):

QH2SO4: Nhiệt lượng truyền cho H2SO4(kJ/h):

Q H2SO4= m H2SO4.CH2SO4.(tpu-tH2SO4) (1.18)

QH2O: Nhiệt lượng truyền cho nước (kJ/h)

QH2O = mH2O CH2O.(tbh-tH2O) + i.mH2O + mh.Cph.(tpu-tbh) (1.19)

Qe: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường (kJ/h) Trong tính toán nhóm nghiên cứu lựa chọn lượng nhiệt tổn thất ra môi trường là 10% tổng lượng Qc cho nguyên liệu

 Nhiệt lượng tỏa ra Qt (kJ/h)

Nhiệt lượng tỏa ra ở (3) phản ứng

Qi : Nhiệt lương tỏa ra ở phản ứng i (kI/h)

mi: Khối lượng NH3 tiêu tốn (kg/h)

Δhi: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng I (kJ/kgNH3)

Phương trình cân bằng nhiệt:

MNH3k: Khối lượng NH3 vào dạng khí (kg/h); số thực tế

MNH3l: Khối lượng NH3 vào dạng lỏng (kg/h); số thực tế

MH3PO4: Khối lượng H3PO4 vào (kg/h) (Trong dịch sau rửa + H3PO4 bổ sung); số thực tế

MH2SO4: Khối lượng H2SO4 vào (kg/h) (Trong dịch sau rửa); số thực tế

Mdsr: Khối lượng dịch sau rửa (kg/h) (Trừ H3PO4 và H2SO4); số thực tế

Mnc: Khối lượng nước công nghệ vào (kg/h); số thực tế

MTGS: Nước từ tháp rửa đến (kg/h); số thực tế

Mpb: Khối lượng dịch phá bọt (kg/h); số thực tế

MLP: Khối lượng hơi thấp áp vào (kg/h); số thực tế

Mr: Tổng khối lượng lưu thể ra

Mr = Mbra + Mkra

Mbra: Tổng khối lượng bùn ra (kg/h)

Mkra: Tổng khối lượng khí ra (Gồm hơi thấp áp + Nước bốc hơi + NH3 khí); số thực

Từ đó, tính được lưu lượng thể tích của lưu thể (m3/h)

𝑉′ = 𝑀𝑙

 Thời gian lưu -[6]

Do các phản ứng (1) và (4) xảy ra với tốc độ cao hơn hẳn so với tốc độ phản ứng của các phản ứng (2), (3), (5) và (6), nên thời gian lưu chung của hệ phản ứng được quyết định bởi thời gian lưu của các phản ứng (2), (3), (5), (6) Ở đây, để đơn giản hóa và thuận tiện cho tính toán động học (bởi việc tính toán động học cho các phản ứng diễn ra song song như trên là gần như không thể), ta coi các phản ứng (2), (3), (5), (6) diễn ra lần lượt

Xác định thời gian phản ứng theo – [6]

Từ phương trình động học, ta xác định được thời gian phản ứng, h:

τ2: Thời gian phản ứng (2) diễn ra, h

k2: Hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng (2), đây là một đại lượng rất khó xác định

và bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như môi trường, nhiệt độ, áp suất, và phụ thuộc vào từng loại phản ứng Nó được xác định chủ yếu dựa trên thực nghiệmm, 1/h

τ3: Thời gian phản ứng (3) diễn ra, h

k3: Hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng (3), đây là một đại lượng rất khó xác định

và bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như môi trường, nhiệt độ, áp suất, và phụ thuộc vào từng loại phản ứng Nó được xác định chủ yếu dựa trên thực nghiệm, 1/h

u3: Độ chuyển hóa phản ứng (3), số thực tế

𝜏5 = 1

𝑘5(𝐶𝐴0−𝐶𝐵0)ln𝐶𝐵0(1−𝑢𝐴)

K5: Hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng (5), đây là một đại lượng rất khó xác định

và bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như môi trường, nhiệt độ, áp suất, và phụ thuộc vào từng loại phản ứng Nó được xác định chủ yếu dựa trên thực nghiệm, 1/h

τ5: Thời gian diễn ra phản ứng (5), h

C0A: Nồng độ ban đầu của H3PO4, mol/l

C0B: Nồng độ ban đầu của NH3, mol/l

uA: Độ chuyển hóa phản ứng (5)

𝜏6 = − 1

τ6: Thời gian diễn ra phản ứng (6), h

k6: Hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng (6), đây là một đại lượng rất khó xác định

và bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như môi trường, nhiệt độ, áp suất, và phụ thuộc vào từng loại phản ứng Nó được xác định chủ yếu dựa trên thực nghiệm, 1/h

lý tưởng, bởi việc xác định các thông số này chủ yếu dựa trên điều kiện thực tế cùng nhiều yếu tố khác Cụ thể, trong thiết bị phản ứng tiền trung hòa diễn ra các phản ứng chính như sau: