Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học: Mô phỏng quá trình tạo hạt urea bằng phần mềm MATLAB

Khám phá luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học mô phỏng quá trình tạo hạt urea bằng phần mềm Matlab, ứng dụng trong công nghiệp hóa chất.

• Tác giả: Hà Kim Thanh Vy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tuấn Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Mô phỏng quá trình tạo hạt urea bằng MATLAB
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về urea
• 1.1.1. Lịch sử phát triển
• 1.1.2. Các tính chất của urea
• 1.1.3. Ứng dụng của urea
• 1.2. Tình hình thị trường phân bón urea
• 1.2.1. Phân urea trên thị trường thế giới
• 1.2.2. Phân urea trên thị trường Việt Nam
• 1.3. Tổng quan về quy trình sản xuất urea
• 1.3.1. Quy trình sản xuất phân urea
• 1.3.2. Quy trình tạo hạt urea
• 1.3.3. Công nghệ tạo hạt bằng tháp
• 1.4. Vai trò của mô phỏng trong các quy trình sản xuất
• 1.5. Một số vấn đề cơ bản về phần mềm Matlab
• 1.6. Mục tiêu của luận văn
• 1.7. Nội dung và phạm vi nghiên cứu
• 1.8. Phương pháp nghiên cứu
• 1.9. Đóng góp mới về khoa học của luận văn
• 1.10. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.11. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HẠT UREA
• 2.1. Thiết lập vấn đề
• 2.1.1. Tính cấp thiết
• 2.2. Đề xuất các vấn đề trong quá trình tạo hạt urea
• 2.2.1. Phương pháp Runge-Kutta
• 2.2.2. Phương pháp đường (MOL)
• 2.2.3. Phương pháp Enthapy giải bài toán Stefan
• 2.3. Mô tả phương trình toán học
• 2.3.1. Thủy động lực học
• 2.3.2. Quá trình truyền ẩm
• 2.3.3. Quá trình truyền nhiệt
• 2.4. Thực hiện mô phỏng
• 2.4.1. Thủy động lực học
• 2.4.2. Cân bằng độ ẩm
• 2.4.3. Cân bằng nhiệt
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB
• 3.1. Kết quả mô phỏng thủy động lực học
• 3.2. Kết quả mô phỏng cân bằng độ ẩm
• 3.3. Kết quả mô phỏng cân bằng nhiệt
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• 4.1. Các kết quả đạt được
• 4.2. Định hướng các nội dung nghiên cứu tiếp theo
• Danh mục các công trình khoa học
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong chương này, luận văn trình bày cái nhìn tổng quan về urea, lịch sử phát triển, tính chất và ứng dụng của urea trong nông nghiệp và công nghiệp. Urea được phát hiện lần đầu tiên từ nước tiểu và được tổng hợp thành công vào năm 1828 bởi Friedrich Wohler. Quá trình sản xuất urea đã trải qua nhiều cải tiến công nghệ, từ việc sử dụng amoniac và carbon dioxide đến các phương pháp hiện đại. Urea không chỉ là một phân bón quan trọng mà còn có vai trò lớn trong nhiều ngành công nghiệp khác. Việc hiểu rõ về urea sẽ giúp xác định các vấn đề trong quá trình sản xuất và tối ưu hóa quy trình tạo hạt, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1 Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển của urea bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 19, khi nó được phát hiện lần đầu tiên từ nước tiểu người. Friedrich Wohler đã tổng hợp thành công urea từ amoni cyanate vào năm 1828, đánh dấu bước ngoặt trong ngành hóa học hữu cơ. Công nghệ sản xuất urea đã phát triển mạnh mẽ từ đó, với nhiều cải tiến kỹ thuật giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất. Ngày nay, urea được sản xuất chủ yếu từ amoniac và carbon dioxide dưới áp suất cao, tạo thành amoni carbamate, sau đó phân hủy để tạo ra urea. Công nghệ này đã được các công ty hàng đầu thế giới như Stamicarbon và Snamprogetti áp dụng, đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu suất cao.

1.2 Các tính chất của urea

Các tính chất của urea rất đa dạng và quan trọng trong ứng dụng thực tiễn. Urea có công thức phân tử là CON2H4, tồn tại dưới dạng tinh thể trắng, dễ hút ẩm từ môi trường. Tính chất hóa học của urea cho phép nó tương tác với các axit để tạo ra các hợp chất hữu cơ khác. Ngoài ra, urea còn có khả năng hòa tan tốt trong nước, tạo điều kiện cho việc sử dụng trong nông nghiệp. Việc hiểu rõ các tính chất này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng của urea trong thực tế.

II. Mô phỏng quá trình tạo hạt urea

Chương này tập trung vào việc mô phỏng quá trình tạo hạt urea bằng phần mềm MATLAB. Quá trình tạo hạt là giai đoạn quan trọng trong sản xuất urea, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Để mô phỏng, cần thiết lập các phương trình thủy động lực học, truyền nhiệt và truyền ẩm. Phương pháp Runge-Kutta và phương pháp đường (MOL) được áp dụng để giải quyết các bài toán liên quan. Mô hình được xây dựng không chỉ giúp hiểu rõ hơn về quá trình mà còn cung cấp cơ sở cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc mô phỏng trên MATLAB cho phép kiểm tra và điều chỉnh các thông số hoạt động, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.1 Thiết lập vấn đề

Thiết lập vấn đề trong mô phỏng quá trình tạo hạt urea là bước đầu tiên và quan trọng. Việc xác định các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng không khí là rất cần thiết. Các phương pháp như Runge-Kutta và phương pháp Enthapy được áp dụng để giải quyết bài toán truyền nhiệt và truyền ẩm. Mô hình thủy động lực học sẽ được xây dựng dựa trên các phương trình vật lý cơ bản, giúp mô tả chính xác quá trình chuyển đổi từ thể lỏng sang thể rắn. Điều này không chỉ giúp dự đoán tính chất của sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó giảm thiểu lãng phí và nâng cao hiệu suất.

2.2 Mô tả phương trình toán học

Mô tả phương trình toán học là một phần không thể thiếu trong việc mô phỏng quá trình tạo hạt urea. Các phương trình thủy động lực học, truyền nhiệt và truyền ẩm cần được thiết lập rõ ràng và chính xác. Các phương trình này sẽ được giải bằng các phương pháp số, cho phép mô phỏng quá trình diễn ra trong tháp tạo hạt. Việc áp dụng phương trình Stefan 2 pha giúp phân tích chính xác quá trình kết tinh của urea, từ đó đưa ra mô hình hoàn thiện hơn cho quy trình sản xuất. Kết quả mô phỏng sẽ được kiểm chứng qua các thử nghiệm thực tế, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của mô hình.

III. Kết quả mô phỏng trên MATLAB

Chương này trình bày các kết quả mô phỏng thu được từ phần mềm MATLAB. Các kết quả này không chỉ cho thấy tính khả thi của mô hình mà còn giúp xác định các thông số tối ưu cho quá trình tạo hạt urea. Kết quả mô phỏng thủy động lực học cho thấy ảnh hưởng của lưu lượng không khí và nhiệt độ đến quá trình kết tinh. Kết quả về cân bằng độ ẩm và nhiệt cũng được trình bày, cho thấy mối quan hệ giữa các thông số này và chất lượng sản phẩm. Những kết quả này có thể được áp dụng để cải thiện quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3.1 Kết quả mô phỏng thủy động lực học

Kết quả mô phỏng thủy động lực học cho thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố như lưu lượng không khí và áp suất đến quá trình tạo hạt urea. Mô hình thủy động lực học cho phép theo dõi chuyển động của các hạt trong tháp, từ đó phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh. Các kết quả cho thấy rằng việc điều chỉnh lưu lượng không khí có thể cải thiện đáng kể chất lượng hạt urea. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, giúp giảm thiểu lãng phí và nâng cao hiệu suất.

3.2 Kết quả mô phỏng cân bằng độ ẩm

Kết quả mô phỏng cân bằng độ ẩm cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa độ ẩm môi trường và quá trình tạo hạt urea. Mô hình cho thấy rằng độ ẩm quá cao có thể dẫn đến hiện tượng kết tảng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Việc kiểm soát độ ẩm trong quá trình sản xuất là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng hạt urea. Những kết quả này cung cấp thông tin quý giá cho các nhà sản xuất trong việc tối ưu hóa quy trình, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

IV. Kết luận

Chương cuối cùng tóm tắt các kết quả đạt được từ nghiên cứu mô phỏng quá trình tạo hạt urea bằng phần mềm MATLAB. Mô hình đề xuất đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất. Các kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp sản xuất urea. Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện mô hình và áp dụng vào các quy trình sản xuất thực tế, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất. Những đóng góp này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp hóa chất.

4.1 Các kết quả đạt được

Các kết quả đạt được từ nghiên cứu cho thấy mô hình mô phỏng quá trình tạo hạt urea bằng MATLAB rất hiệu quả trong việc phân tích và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Mô hình đã chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng chính đến chất lượng sản phẩm, giúp các nhà sản xuất có thể điều chỉnh và cải thiện quy trình của mình. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các công nghệ sản xuất urea hiện đại hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

4.2 Định hướng các nội dung nghiên cứu tiếp theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc mở rộng mô hình hiện tại để áp dụng cho các quy trình sản xuất khác, không chỉ riêng cho urea. Việc nghiên cứu thêm về các yếu tố môi trường và công nghệ mới sẽ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất. Các nghiên cứu này sẽ đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp hóa chất, đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường toàn cầu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phân bón urea đóng vai trò then chốt trong an ninh lương thực toàn cầu khi chiếm khoảng 57% tổng sản lượng phân bón cung cấp nitơ cho cây trồng trên thế giới với tổng nhu cầu đạt gần 199 triệu tấn mỗi năm. Tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ nội địa đạt khoảng 2,2 triệu tấn mỗi năm, trong đó năng lực sản xuất từ bốn nhà máy lớn gồm Đạm Phú Mỹ (800.000 tấn), Đạm Cà Mau (800.000 tấn), Đạm Ninh Bình (560.000 tấn) và Đạm Hà Bắc (180.000 tấn) đạt tổng công suất khoảng 2,34 triệu tấn mỗi năm. Mặc dù tự chủ được nguồn cung, chất lượng cơ lý của hạt urea công nghiệp vẫn đối mặt với nhiều thách thức lớn, đặc biệt là hiện tượng đóng rắn không hoàn toàn trong tháp tạo hạt cao 50 đến 60 mét, dẫn đến hạt dễ vỡ vụn và hút ẩm kết tảng khi độ ẩm không khí vượt quá 70%.

Vấn đề cốt lõi của quá trình sản xuất nằm ở công đoạn tạo hạt dạng tháp, nơi các giọt urea lỏng nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 132,7 đến 140 độ C rơi tự do ngược chiều với dòng không khí làm mát. Các mô hình tính toán trước đây thường đơn giản hóa quá trình này thành bài toán Stefan một pha chia làm ba giai đoạn rời rạc, gây ra sai số đáng kể trong việc xác định thời điểm bắt đầu đông đặc và phân bố nhiệt ẩm bên trong hạt.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học hoàn chỉnh dựa trên bài toán Stefan hai pha, mô phỏng đồng thời các quá trình thủy động lực học, truyền nhiệt và truyền ẩm của hạt urea trên phần mềm Matlab. Nghiên cứu được thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 02 năm 2023 đến tháng 06 năm 2023. Kết quả mô hình giúp tối ưu hóa chiều cao tháp 50 đến 60 mét, kiểm soát độ ẩm sản phẩm dưới 0,3% khối lượng, khống chế hàm lượng biuret độc hại dưới ngưỡng 1,0% và nâng cao độ bền cơ học của hạt đạt trên 3,8 Newton, mang lại giá trị kinh tế lớn cho các nhà máy hóa chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu áp dụng hệ thống khung lý thuyết nhiệt động lực học và truyền khối chuyên sâu:

• Lý thuyết bài toán Stefan hai pha: Mô tả quá trình truyền nhiệt biến thiên liên tục trong cả pha lỏng và pha rắn với bề mặt phân pha di động từ ngoài vỏ vào tâm hạt khi urea giải phóng nhiệt kết tinh khoảng 251 đến 460 Jun trên gam.
• Phương pháp nhiệt dung biểu kiến kết hợp phương pháp đường: Chuyển đổi hệ phương trình đạo hàm riêng phi tuyến thành hệ phương trình vi phân thường theo thời gian, giúp giải quyết sự gián đoạn của dòng nhiệt tại ranh giới chuyển pha mà không cần dò tìm tọa độ biên một cách thủ công.
• Các khái niệm và quy luật động lực học cốt lõi: Bao gồm lực cản môi trường theo định luật Newton, lực đẩy Archimedes, chuẩn số Reynolds, phương trình truyền khối Ranz-Marshall xác định chuẩn số Sherwood và Schmidt, cùng quy luật cân bằng nhiệt đoạn nhiệt của dòng khí làm mát di chuyển dọc thân tháp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng các thông số vật lý thực nghiệm chuẩn xác của urea nguyên chất như khối lượng riêng 1,32 gam trên centimet khối, điểm nóng chảy 132,7 độ C, hàm lượng nitơ 46,6% và các dữ liệu vận hành thực tế tại tháp tạo hạt công nghiệp của nhà máy phân đạm.

Mô hình thực hiện phân tích trên cỡ mẫu lưới số gồm hơn 100 nút không gian chia đều theo phương bán kính hạt từ 0,2 đến 2,0 milimet và trải dài theo chiều cao tháp 50 mét. Không gian tham số khảo sát bao gồm 6 mức vận tốc gió từ 1 đến 6 mét trên giây, 3 mức nhiệt độ không khí môi trường gồm 20 độ C, 30 độ C và 40 độ C, cùng 3 mức độ ẩm không khí tuyệt đối là 0,01; 0,02 và 0,03 kilogam nước trên kilogam không khí khô. Phương pháp lấy mẫu tham số quét toàn diện được áp dụng nhằm bao phủ trọn vẹn các điều kiện thời tiết thực tế từ mùa khô đến mùa mưa ẩm.

Lý do lựa chọn tích hợp phương pháp nhiệt dung biểu kiến với thuật toán Runge-Kutta bậc 4 trên Matlab là nhờ tính ổn định vượt trội, khả năng giải quyết các bước nhảy enthalpy lớn tại vùng kết tinh và tối ưu hóa thời gian tính toán ma trận với độ chính xác số học cao. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ theo timeline 5 tháng, từ khâu thiết lập phương trình vi phân, lập trình thuật toán số đến thẩm định độ tin cậy của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng trên Matlab đã làm sáng tỏ các quy luật động học và truyền nhiệt ẩm then chốt:

• Đặc tính thủy động lực học: Các hạt urea đường kính từ 0,2 đến 1,0 milimet đạt vận tốc rơi cân bằng rất nhanh chỉ sau khoảng cách rơi dưới 4,5 mét từ đỉnh tháp, với thời gian gia tốc chưa đến 0,75 giây. Vận tốc lắng cân bằng tăng tỷ lệ thuận với kích thước hạt và đạt khoảng 4 đến 8 mét trên giây tùy theo chuẩn số Reynolds trong môi trường không khí.
• Động lực học tách ẩm: Hàm ẩm cục bộ trong hạt giảm liên tục từ mức 0,5% ban đầu xuống dưới 0,28% khi chạm đáy tháp. Khi độ ẩm không khí môi trường tăng từ 0,01 lên 0,03 kilogam nước trên kilogam không khí khô, tốc độ bay hơi nước trên bề mặt hạt giảm khoảng 34,5%, kéo dài thời gian khô của sản phẩm.
• Diễn biến chuyển pha hai pha: Quá trình đóng rắn diễn ra theo hướng hướng tâm. Với đường kính hạt 1,0 milimet ở điều kiện gió 5 mét trên giây và nhiệt độ không khí 30 độ C, bán kính pha lỏng co hoàn toàn về 0 ở vị trí cách đỉnh tháp khoảng 38 mét, giúp hạt kết tinh 100% trước khi chạm đáy tháp và đạt độ bền nén phá hủy trên 3,8 Newton đối với hạt trong và 10 đến 17 Newton đối với hạt đục.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý được giải thích thông qua sự tương tác phức tạp giữa truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức bề mặt và sự truyền dẫn nhiệt nội tại kèm phát tán ẩn nhiệt nóng chảy 251 Jun trên gam. Do lớp vỏ ngoài đóng rắn trước có độ dẫn nhiệt khác với pha lỏng bên trong, một gradient nhiệt độ sâu được hình thành dọc theo bán kính hạt, duy trì vùng nhiệt độ đẳng nhiệt tại tâm hạt trong khoảng thời gian dài hơn so với các dự báo đơn giản hóa.

Khi so sánh với mô hình Stefan một pha ba giai đoạn truyền thống, mô hình hai pha trong nghiên cứu này loại bỏ được sai lệch từ 15% đến 20% về thời gian bắt đầu đông đặc và phản ánh chính xác xu hướng nhiệt độ khí làm mát tăng dần khi đi từ đáy lên đỉnh tháp. Dữ liệu mô phỏng có thể được biểu diễn một cách trực quan qua biểu đồ đường phân bố nhiệt độ tâm hạt theo chiều cao tháp, biểu đồ không gian 3D thể hiện trường độ ẩm theo bán kính và thời gian, cùng bảng số liệu so sánh vận tốc rơi cân bằng tương ứng với từng dải đường kính hạt từ 0,2 đến 2,0 milimet. Kết quả này cung cấp cái nhìn toàn diện giúp giải thích nguyên nhân gây biến dạng hoặc vỡ vụn hạt khi các thông số khí hậu thay đổi đột ngột.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng số, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành tháp tạo hạt urea:

• Điều chỉnh dải vận tốc dòng khí làm mát: Thiết lập và duy trì vận tốc dòng không khí đi ngược chiều trong khoảng tối ưu từ 3,5 đến 5,0 mét trên giây bằng cách trang bị hệ thống quạt hút biến tần tự động, mục tiêu giảm nhiệt độ hạt tại đáy tháp xuống dưới 45 độ C trong lộ trình 3 tháng (Chủ thể thực hiện: Kỹ sư vận hành phân xưởng urea).
• Kiểm soát ẩm không khí cấp vào tháp: Đầu tư hệ thống dàn tách ẩm không khí sơ cấp tại cửa nạp đáy tháp ở độ cao 7 mét để duy trì độ ẩm không khí đầu vào luôn dưới 0,015 kilogam nước trên kilogam không khí khô, mục tiêu đưa độ ẩm sản phẩm cuối cùng đạt mức lý tưởng dưới 0,25% trong vòng 6 đến 12 tháng (Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án và Kỹ thuật nhà máy).
• Tối ưu hóa kích thước và tốc độ tang quay: Tinh chỉnh đường kính lỗ đục và vận tốc quay của tang phun trên đỉnh tháp nhằm khống chế kích thước hạt phân bố đồng đều trong dải 1,2 đến 2,5 milimet, giảm tỷ lệ bụi mịn và hạt quá cỡ vón cục xuống dưới 2% trước quý IV năm 2024 (Chủ thể thực hiện: Bộ phận Bảo trì và R&D).
• Tích hợp thuật toán mô phỏng vào hệ thống điều khiển DCS: Nhúng module tính toán Stefan hai pha từ Matlab vào hệ thống điều khiển phân tán của nhà máy để dự báo thời gian thực chất lượng hạt theo biến động thời tiết, hoàn thành chuyển giao trong 6 tháng (Chủ thể thực hiện: Nhóm Tự động hóa và Chuyển đổi số).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư công nghệ và vận hành tại các nhà máy đạm hóa chất: Vận dụng mô hình để tra cứu thông số vận hành chuẩn xác, điều chỉnh lưu lượng gió và nhiệt độ dòng urea lỏng nhằm loại bỏ triệt để hiện tượng hạt vón cục và giảm tiêu hao năng lượng sản xuất khoảng 5% đến 8%.
• Các chuyên gia thiết kế thiết bị và nhà thầu EPC: Sử dụng công cụ tính toán thủy nhiệt để xác định chính xác chiều cao thân tháp (50 đến 60 mét) và đường kính tháp tối ưu, giúp giảm chi phí đầu tư xây dựng cơ bản từ 10% đến 12%.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hóa học: Sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo chất lượng cao về phương pháp giải bài toán biên di động Stefan hai pha phi tuyến bằng phương pháp đường và nhiệt dung biểu kiến trên Matlab.
• Các nhà quản lý kỹ thuật và hoạch định chính sách phân bón: Tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật về cơ tính và độ ẩm hạt urea để xây dựng định mức kiểm soát chất lượng phân bón thương phẩm phục vụ thị trường nội địa và xuất khẩu.

Câu hỏi thường gặp

• Bài toán Stefan hai pha vượt trội hơn mô hình truyền thống ở những điểm nào? Mô hình hai pha giải quyết đồng thời quá trình dẫn nhiệt trong cả pha lỏng lẫn pha rắn với ranh giới chuyển pha di động liên tục. Cách tiếp cận này loại bỏ giả định phi thực tế của mô hình một pha vốn coi nhiệt độ pha lỏng không đổi, từ đó khắc phục sai số từ 15% đến 20% khi tính toán thời gian đông đặc của hạt.

• Yếu tố môi trường nào ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đến độ cứng của hạt urea? Nhiệt độ và độ ẩm không khí môi trường là hai yếu tố then chốt. Khi nhiệt độ không khí vượt quá 35 độ C hoặc độ ẩm vượt 70%, tốc độ truyền nhiệt và bay hơi ẩm bề mặt giảm hơn 30%, khiến hạt chưa kịp hóa rắn hoàn toàn khi rơi xuống đáy tháp, làm giảm lực phá hủy hạt xuống dưới 3,8 Newton.

• Chiều cao tháp tạo hạt 50 đến 60 mét có vai trò quyết định như thế nào? Chiều cao này đảm bảo cung cấp đủ thời gian lưu cho các hạt có đường kính từ 1 đến 2 milimet hoàn thành toàn bộ hành trình chuyển pha từ giọt lỏng 135 độ C sang trạng thái rắn dưới 50 độ C trước khi tiếp xúc với băng tải đáy tháp, hạn chế tối đa nguy cơ vỡ hạt.

• Làm cách nào để hạn chế hiện tượng hạt urea bị kết tảng trong quá trình bảo quản? Cần khống chế độ ẩm sản phẩm sau tháp dưới 0,3% khối lượng, làm nguội hạt xuống dưới 40 độ C trước khi đóng bao và sử dụng bao bì hai lớp Polypropylen kết hợp Polyethylen kín khí hoặc phủ một lớp paraffin bảo vệ mỏng trên bề mặt hạt.

• Mô hình mô phỏng trên Matlab này có thể áp dụng cho các loại hóa chất khác không? Thuật toán hoàn toàn có thể mở rộng áp dụng cho các quy trình tạo hạt nóng chảy khác như phân bón amoni nitrat, lưu huỳnh hoặc sáp công nghiệp bằng cách thay thế các hằng số nhiệt động lực học và tính chất hóa lý tương ứng của cấu tử mới.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công mô hình toán học giải bài toán Stefan hai pha kết hợp đồng thời thủy động lực học, truyền nhiệt và truyền ẩm trong tháp tạo hạt urea.
• Chương trình mô phỏng trên nền tảng Matlab áp dụng phương pháp nhiệt dung biểu kiến và phương pháp đường cho độ chính xác cao, mô tả trung thực ranh giới chuyển pha lỏng - rắn.
• Xác định được dải vận tốc gió làm mát tối ưu từ 3,5 đến 5,0 mét trên giây giúp hạt đóng rắn hoàn toàn trong phạm vi chiều cao tháp 50 đến 60 mét với độ ẩm dưới 0,3%.
• Nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học quan trọng giúp nâng cao độ bền cơ học của hạt urea lên trên 3,8 Newton và hạn chế hình thành phụ phẩm biuret độc hại dưới 1,0%.
• Kế hoạch tiếp theo cần tập trung tích hợp mô hình vào hệ thống điều khiển DCS thực tế của nhà máy phân đạm giai đoạn 2024-2025; bạn hãy liên hệ ngay với tác giả hoặc bộ môn chuyên ngành để nhận trọn bộ mã nguồn Matlab và tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về urea 1.1 Lịch sử phát triển Urea lần đầu tiên được phát hiện và phân lập từ nước tiểu người bởi H. Sau đó được Friedrich Wohler tổng hợp thành công vào năm 1828. Quá trình tổng hợp urea gần như là một sự tình cờ. Vì Wohler đã cố gắng tạo ra một hợp chất khác, amoni cyanate, để tiếp tục nghiên cứu về cyanat mà ông đã nghiên cứu trong vài năm trước đó.

Khi thêm bạc cyanat vào dung dịch amoni clorua, ông đã thu được một chất kết tinh màu trắng, được chứng minh là giống với urea thu được từ nước tiểu. Khám phá này rất quan trọng, vì điều này khiến urea trở thành hợp chất hữu cơ đầu tiên được tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu hoàn toàn vô cơ. Urea hiện được điều chế thương mại với số lượng lớn từ amoniac lỏng và carbon dioxide lỏng. Hai vật liệu này được kết hợp dưới áp suất và nhiệt độ cao để tạo thành amoni carbamate, sau đó phân hủy ở áp suất thấp hơn nhiều để tạo ra urea và nước.

Năm 1870, urea đã được sản xuất bằng cách đốt nóng amoni carbamate trong một ống bịt kín. Điều này là nền tảng cho công nghệ sản xuất urea công nghiệp sau này.1 Hình ảnh tinh thể urea Cho tới những năm đầu thế kỷ 20 thì urea mới được sản xuất trên quy mô công nghiệp nhưng ở mức sản lượng rất nhỏ. Sau đại chiến thế giới thứ hai, nhiều nước và hãng sản xuất đã đi sâu cải tiến quy trình công nghệ để sản xuất urea. Những hãng 2 đứng đầu về cung cấp và chuyển giao công nghệ sản xuất urea trên thế giới như: Stamicarbon (Hà Lan), Snamprogetti (Italia), TEC (Nhật Bản)… Các hãng này đưa ra công nghệ sản xuất urea tiên tiến, mức tiêu phí năng lượng cho một tấn sản phẩm urea rất thấp.2 Các tính chất của urea - Tính chất vật lý Urea là một phân tử hữu cơ nhỏ (M = 60) bao gồm hai nhóm amin (-NH2) và một nhóm cacbamyl (C-O) được liên kết với nhau, với công thức phân tử là CON2H4 hoặc (NH2)2CO, như mô tả trong Hình 1.2 Công thức phân tử của urea Urea còn được biết đến như là carbamide, đặc biệt là trong tên gọi sử dụng ở châu Âu theo các tên gọi không đăng ký quốc tế được khuyến cáo (rINN).

Ngoài ra urea còn được biết với tên gọi là Cacbamid, Cacbonyldiamide, Carbonyldiamine, Diaminomethanal, Diaminomethanone. Urea ở dạng tinh thể trắng, là chất hút ẩm và không ăn mòn như Hình 1.1 trình bày. Ở trạng thái tinh khiết nhất, urea không mùi mặc dù hầu hết các mẫu urea có độ tinh khiết cao đều có mùi khai [1]. Urea tan tốt trong nước bởi vì phân tử urea dễ dàng tạo ra 6 liên kết hidro với nước (2 liên kết hydro tạo với nguyên tử oxy, 4 liên kết hydro với 4 nguyên tử hydro).

- Tính chất hút ẩm, kết tảng của urea Bảng 1.1 giới thiệu các đặc tính cơ bản của urea. Urea là chất dễ hút ẩm từ môi trường xung quanh tại một nhiệt độ nhất định ứng với áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường lớn hơn áp suất hơi nước trên bề mặt urea. Urea sẽ hút ẩm khi độ ẩm môi trường xung quanh lớn hơn 70%, nhiệt độ từ 10oC đến 40oC. Theo số liệu thống kê cho thấy, urea thường bị hút ẩm do hàm ẩm trong không khí cao, đặc biệt vào ngày hè, ẩm thấp.

Urea hút ẩm nhiều sẽ gây nên hiện tượng kết 3 tảng. Do vậy, để hạn chế việc hút ẩm, urea thường được đóng trong các bao Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) hoặc trong bao giấy nhiều lớp, hoặc phủ lên 1 lớp paraffin mỏng, hoặc dùng bột trợ dung [2].1 Các đặc tính urea Thành phần Giá trị Tỉ trọng d, g/cm3 1.32 Dạng tinh thể và dạng bề ngoài Dạng kim, lăng trụ, tứ giác Điểm nóng chảy, oC 132,7 Chỉ số khúc xạ 1,484; 1,602 Năng lượng hình thành tự do ở 25oC, J/mol -197,15 Nhiệt nóng chảy, J/g 251 Nhiệt hòa tan trong nước, J/g 243 Nhiệt kết tinh, dịch urea nước 70%, J/g 460 81% (tại 20oC) Độ ẩm tương đối 73% (tại 30oC) Nhiệt riêng, J/Kg.K ở 0oC 1439 50oC 1,661 100oC 1,887 150oC 2,10 Hàm lượng Nitơ 46,6% N - Tính chất hóa học Tác dụng với các axit: Khi urea tác dụng với axit tạo thành các hợp chất muối axit. Hợp chất muối nitrat CO(NH2).HNO3 ít tan trong nước. Khi đốt nóng bị phân hủy và nổ.

Hợp chất muối phốt phát CO(NH2).H3PO4 tan tốt trong nước và phân lý hoàn toàn. Tác dụng với muối khác theo phương trình (1.1): CO(NH2)2 + Ca(H2PO4)2H2O = CO(NH2)2 +H3PO4 + CaHPO4 + H2O (1.1) Hòa tan trong nước: urea chỉ bền trong dung dịch nước đến 800oC, còn nếu nhiệt độ cao hơn thì nó thủy phân rất chậm để tạo thành amoni carbamate, sau đó amoni carbamate lại phân hủy thành ammonia và carbon dioxide. Phản ứng này là cơ sở để 4 sử dụng urea làm phân bón vi sinh vật trong lòng đất, chuyển hóa amonia thành muối nitrat, đây là hợp chất chứa nitơ và cây trồng có thể hấp thụ được. Phương trình thủy phân của urea được biểu diễn bằng (1.

CO(NH2)2 + H2O → NH2COONH4 (1.2) NH2COONH4 + H2O → (NH4)2CO3 (1.3) (NH4)2CO3 → NH4HCO3 + NH3 (1.4) Biamoni cacbonat lại bị phân hủy bằng nhiệt theo phản ứng (1. NH4HCO3 → CO2 + H2O + NH3 (1.5) Mức độ thủy phân của amoni cacbonat giảm đáng kể khi có mặt NH3. Ngoài ra, trong điều kiện không khí ẩm sẽ xảy ra phản ứng (1.6) 2NO + (NH2)2CO + ½O2 → 2N2 +H2O + CO2 (1.6) Urea tinh khiết nóng chảy ở 132,4oC. Khi bị gia nhiệt ở áp suất thường và quá điểm nóng chảy của nó, urea sẽ phân hủy tạo ra chủ yếu ammonia và isocyanic acid như (1.

CO(NH2)2 ↔ NH4NCO ↔ NH3 + HNCO (1.3 Các trường hợp phân hủy của urea Ở điều kiện áp suất thường và tại điểm nóng chảy của nó, urea phân hủy thành amoniac, biuret (1), acid cyanuric (2), ammelide (3) và triuret (4) như Hình 1.3 trình bày. Biuret là sản phẩm phụ bất đắc dĩ chủ yếu có trong urea. Nếu trong sản phẩm đạm urea cấp phân bón mà hàm lượng biuret vượt quá 2% trọng lượng sẽ gây độc hại đối với cây trồng, lá bị mất chất diệp lục trở nên trắng [3].3 Ứng dụng của urea - Trong nông nghiệp: Ứng dụng phổ biến và rông rãi nhất của urea là được dùng làm phân bón, kích thích sinh trưởng, giúp cây phát triển mạnh, thích hợp với ruộng nước, cây, rau xanh. Phân đạm cùng với phân lân, phân kali góp phần tăng năng suất cho cây trồng.

Trong tự nhiên, phân đạm tồn tại trong nước tiểu của các loài động vật và con người. Trong công nghiệp, phân đạm được sản xuất bằng khí thiên nhiên hoặc than đá. Trộn lẫn với các chất phụ gia khác, urea sẽ được dùng trong nhiều loại phân bón rắn có các dạng công thức khác nhau như photphat urea amôn; sunphat amôn urea và urea phophat (urea + acid photyphoric), các dung dịch urea nồng độ thuộc nitrat amôn urea (80-85%) có hàm lượng nitơ cao nhưng điểm kết tinh lại thấp phù hợp cho việc vận chuyển lưu thông phân phối bằng hệ thống ống dẫn hay phun bón trực tiếp. Trong chăn nuôi, urea là chất bổ sung vào thức ăn cho động vật, nó cung cấp một nguồn đạm cố định tương đối rẻ tiền để giúp cho sự tăng trưởng.

Urea được dùng để sản xuất lisin, một acid amino được dùng thông dụng trong ngành chăn nuôi gia cầm. Trong số các sản phẩm hoá học được sử dụng phổ biến làm nguồn cung cấp phân đạm cho cây trồng như: Sulphur Ammonium (SA), Nitrat Ammonium (NH4NO3), urea… thì urea được sử dụng nhiều hơn cả vì những đặc tính vượt trội của nó về mọi phương diện. Bằng chứng là sản lượng tiêu thụ urea (trên toàn thế giới), urea chiếm 57% trên tổng sản lượng phân bón cung cấp Nitơ cho cây trồng. Sử dụng urea rất đa dạng, nó có thể được dùng bón cho cây trồng dưới dạng rắn, dạng lỏng tưới gốc hoặc sử dụng như phân phun qua lá đối với một số loại cây trồng.

Khi sử dụng, urea không gây hiện tượng cháy nổ nguy hiểm cho người sử dụng và môi trường xung quanh. Với hàm lượng đạm cao, 46%, sử dụng urea giảm bớt được chi phí vận chuyển, công lao động và kho bãi tồn trữ so với các sản phẩm cung cấp đạm khác. Việc sản xuất urea thải ra ít chất độc hại cho môi trường. Khi được sử dụng đúng cách, urea làm gia tăng năng suất nông sản tương đương với các loại sản phẩm cung cấp đạm khác.

- Trong công nghiệp: 6 Nguyên liệu cho sản xuất chất dẻo, đặc biệt là nhựa Urea-formaldehyde. Nhựa này được dùng phổ biến làm keo dán gỗ. Urea (cùng với Ammonia) phân hủy ở nhiệt độ để sản xuất các loại nhựa melamine. Nhựa melamine formaldehyde dùng để sản xuất bát, đĩa, chén hoặc dùng phủ các bề mặt được cường lực Urea được dùng để tạo ra Urea nitrat, là một chất nổ được dùng trong công nghiệp.

Các loại nhựa urea được polyme hóa từng phần để dùng cho ngành công nghiệp dệt có tác dụng làm phân bố đều các thành phần ép của các chất sợi. Urea cũng là chất thay thế cho muối (NaCl) trong việc loại bỏ băng hay sương muối của lòng đường hay đường băng sân bay. Nó không gây ra hiện tượng ăn mòn kim loại như muối. Ngoài ra, urea được sử dụng như một thành phần bổ sung trong thuốc lá, nó được thêm vào để tăng hương vị hay đôi khi được sử dụng như là chất tạo màu nâu vàng trong các xí nghiệp sản xuất bánh quy.

Nó còn được dùng trong một số ngành sản xuất thuốc trừ sâu thậm chí cũng là một thành phần của một số dầu dưỡng tóc, sữa rửa mặt, dầu tắm và nước thơm. Bên cạnh đó, urea cũng là thành phần hoạt hóa để xử lý khói thải từ động cơ diesel, giảm sự bốc mùi của khí Oxitnitric. - Trong phòng thí nghiệm: Urea là một chất biến tính protein mạnh. Thuộc tính này có thể khai thác để làm tăng độ hòa tan của một số protein.

Vì tính chất này, nó được sử dụng trong các dung dịch đặc tới 10M. - Trong y học: Thuốc: Urea được sử dụng trong các sản phẩm da liễu cục bộ để giúp cho quá trình tái hydrat hóa của da. Chuẩn đoán sinh lý học: Do urea được sản xuất và bài tiết khỏi cơ thể với một tốc độ gần như không đổi, nồng độ urea cao trong máu chỉ ra vấn đề với sự bài tiết nó hoặc trong một số trường hợp nào đó là sự sản xuất quá nhiều urea trong cơ thể. Nguyên nhân phổ biến của bệnh urea huyết là các vấn đề về hệ tiết niệu.