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

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.

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.