ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HÀ KIM THANH VY

MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẠO HẠT UREA
BẰNG PHẦN MỀM MATLAB

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
Mã số: 8520301

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Tuấn Anh
Chữ ký:
1. Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Thành Duy Quang
Chữ ký:
2. Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lý Cẩm Hùng
Chữ ký:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày 20 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Đình Thành
2. Ủy biên phản biện 1: TS. Nguyễn Thành Duy Quang
3. Ủy viên phản biện 2: TS. Lý Cẩm Hùng
4. Ủy viên: TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

5. Thư ký: TS. Đặng Văn Hân
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Hà Kim Thanh Vy

MSHV: 2070497

Ngày, tháng, năm sinh: 02/10/1997

Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh

Chun ngành: Kỹ Thuật Hóa Học

Mã số: 8520301

I. TÊN ĐỀ TÀI:

-

Bằng tiếng Việt: Mô phỏng quá trình tạo hạt Urea bằng phần mềm
Matlab.

-

Bằng tiếng Anh: Simulation of urea granulation process using Matlab.

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu về urea và cơng nghệ sản xuất urea trong cơng nghiệp.
Xây dựng mơ hình thủy động lực học, quá trình truyền nhiệt, truyền ẩm trong
giai đoạn hạt urea chuyển từ pha lỏng sang rắn hoàn toàn.
Giải bài tốn về truyền nhiệt, truyền ẩm bằng phương trình Stefan 2 pha.
Mơ phỏng q trình tạo hạt urea trong tháp tạo hạt.
Phân tích, đánh giá kết quả.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Nguyễn Tuấn Anh
TP. HCM, ngày … tháng … năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC



i

LỜI CÁM ƠN
Xin trân trọng cảm ơn Khoa kỹ thuật hóa học, Thầy Cơ Bộ mơn Cơng nghệ Hóa
vơ cơ đã cung cấp cho tôi những kiến thức vô cùng quan trọng trong khoảng thời gian
vừa qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh đã tận hình hướng
dẫn tơi thực hiện và hồn thành nghiên cứu này. Tôi cũng xin cảm ơn tất cả Anh/Chị
nghiên cứu viên, Anh/chị làm việc tại phịng thí nghiệm đã hỗ trợ tơi hồn thành các
kết quả trong báo cáo này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn và kính chúc Quý thầy cô đã đồng hành
và theo dõi em trong suốt thời gian qua thật nhiều sức khoẻ và ngày càng thăng tiến
trong cơng việc.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023
Học viên

Hà Kim Thanh Vy


ii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến sự hình thành hạt urea trong
quá trình sản xuất urea. Cơng nghệ sản suất urea ln được các nhà nghiên cứu, các
hãng tập trung nghiên cứu nhằm tìm ra các giải pháp và cơng nghệ tiên tiến đảm bảo
chất lượng sản phẩm ngày càng tăng, tối ưu hóa chi phí sản xuất, nâng cao hiệu suất
sản xuất. Quá trình sản xuất urea được tổng kết ở giai đoạn cuối cùng là tạo hạt, quá
trình này hình thành kết tinh của sản phẩm, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và
khả năng bảo quản sản phẩm sau này. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích
các quá trình động lực học, quá trình cân bằng độ ẩm, quá trình trao đổi nhiệt của hạt
urea trong giai đoạn chuyển từ thể lỏng khi ra khỏi đỉnh tháp đến thể rắn khi đến đáy

tháp, kết quả có được bằng cách triển khai giải bài toán Stefan 2 pha. Kết quả luận
văn này đề ra một mơ hình hồn thiện, chính xác hơn cho q trình đóng rắn hạt urea
trong các tháp tạo hạt cơng nghiệp. Một mơ hình hồn thiện hơn sẽ cho phép ta thiết
kế chính xác tháp tạo hạt đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm. Mơ hình tốt cũng
giúp cho việc dự đốn tính chất sản phẩm khi có một hoặc vài thơng số hoạt động bị
thay đổi như lưu lượng, tính chất dịng khơng khí làm mát. Từ đó có thể đưa ra cách
vận hành phù hợp, hạn chế thành phẩm không đạt chất lượng. Các kết quả phân tích
và mơ hình đề xuất được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm
Matlab. Nội dung cụ thể của luận văn như sau:
Chương 1, Tổng quan.
Chương 2, Mơ phỏng q trình tạo hạt urea.
Chương 3, Kết quả mô phỏng trên matlab.
Chương 4, Kết luận.
Trong giới hạn nội dung luận văn này trình bày, nếu có bất cứ điều gì thắc mắc hoặc
các yêu cầu về nội dung thực hiện chưa rõ, xin vui lòng liên hệ:
Hà Kim Thanh Vy, Khoa Kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM
268 Lý Thường Kiệt, Q.10, TP.HCM
ĐT: 0966572797; Email:


iii

ABSTRACT
This thesis presents issues related to urea granulation process in urea production
process. Urea production technology is always focused on research by researchers
and firms in order to find advanced solutions and technologies to ensure increasing
product quality, optimize production costs, and improve efficiency. production
capacity. The urea production process is summarized in the final stage of granulation,
which forms the crystallization of the product, which directly affects the quality and
ability of the product to be preserved later. This study focuses on analyzing the

dynamical processes, the process of moisture balance, the heat exchange process of
urea particles in the process from the liquid state when leaving the top of the tower to
the solid state when reaching the bottom of the tower. The results are obtained by
solving the 2-phase stefan problem. The results of this thesis propose a more complete
and accurate model for the curing process of urea granules in the industrial
granulation tower. A more complete model will allow us to precisely design the
granulation tower to meet product quality requirements. A good model also helps to
predict product properties when one or several operational parameters are changed
such as flow rate, cooling air flow properties. From there, it is possible to devise a
suitable way of operation, to limit the quality of finished products. The analysis
results and proposed model are verified through simulation results on Matlab. The
specific content of the thesis is as follows:
Chapter 1, Overview.
Chapter 2, Simulation of urea granulation process.
Chapter 3, Simulation results on Matlab software.
Chapter 4, Conclude.
Within the limits of the content of this thesis, if you have any questions or
requirements about the implementation content, please contact:
Ha Kim Thanh Vy, Department of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City
University of Technology
268 Ly Thuong Kiet, District 10, Ho Chi Minh City
Tel: 0966572797; Email:


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng
dẫn của PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài
này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số

liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính
tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong Luận văn thạc sỹ còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng
như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích
nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung Luận văn thạc sỹ của mình. Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí
Minh, Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh khơng liên quan đến những vi
phạm tác quyền, bản quyền do tơi gây ra trong q trình thực hiện (nếu có).

TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023
Tác giả luận văn

Chữ ký

Hà Kim Thanh Vy


v

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .............................................................................. vii
CHƯƠNG 1
1.1

1.2

1.3

TỔNG QUAN ..................................................................................1


Tổng quan về urea ......................................................................................... 1
1.1.1

Lịch sử phát triển ....................................................................................1

1.1.2

Các tính chất của urea .............................................................................2

1.1.3

Ứng dụng của urea ..................................................................................5

Tình hình thị trường phân bón urea ............................................................... 7
1.2.1

Phân urea trên thị trường thế giới ...........................................................7

1.2.2

Phân urea trên thị trường Việt Nam ........................................................7

Tổng quan về quy trình sản xuất urea ........................................................... 8
1.3.1

Quy trình sản xuất phân urea ................................................................10

1.3.2


Quy trình tạo hạt urea ...........................................................................14

1.3.3

Cơng nghệ tạo hạt bằng tháp ................................................................18

1.4

Vai trị của mơ phỏng trong các quy trình sản xuất ..................................... 23

1.5

Một số vấn đề cơ bản về phần mềm Matlab ................................................ 25

1.6

Mục tiêu của luận văn .................................................................................. 26

1.7

Nội dung và phạm vi nghiên cứu................................................................. 26

1.8

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 27

1.9

Đóng góp mới về khoa học của luận văn .................................................... 27


1.10

Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................... 27

1.11

Bố cục của luận văn ..................................................................................... 27

CHƯƠNG 2
2.1

2.2

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HẠT UREA .............................28

Thiết lập vấn đề ........................................................................................... 28
2.1.1

Tính cấp thiết ........................................................................................29

2.1.2

Đề xuất các vấn đề trong quá trình tạo hạt urea ...................................32

Cơ sở lý thuyết ............................................................................................. 32
2.2.1

Phương pháp Runge-Kutta ...................................................................32

2.2.2


Phương pháp đường (MOL) .................................................................33


vi

2.2.3
2.3

2.4

Phương pháp Enthapy giải bài tốn Stefan ...........................................33

Mơ tả phương trình tốn học ....................................................................... 34
2.3.1

Thủy động lực học ................................................................................34

2.3.2

Q trình truyền ẩm ..............................................................................36

2.3.3

Q trình truyền nhiệt ...........................................................................37

Thực hiện mơ phỏng .................................................................................... 38
2.4.1

Thủy động lực học ................................................................................38


2.4.2

Cân bằng độ ẩm ....................................................................................39

2.4.3

Cân bằng nhiệt ......................................................................................40

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB...................................44

3.1

Kết quả mô phỏng thủy động lực học.......................................................... 44

3.2

Kết quả mô phỏng cân bằng độ ẩm ............................................................. 45

3.3

Kết quả mô phỏng cân bằng nhiệt ............................................................... 48

CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN ....................................................................................57

4.1


Các kết quả đạt được ................................................................................... 57

4.2

Định hướng các nội dung nghiên cứu tiếp theo ........................................... 58

Danh mục các cơng trình khoa học ........................................................................... 59
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 60
Phụ lục ..................................................................................................................... 63


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh tinh thể urea ..................................................................................1
Hình 1.2 Cơng thức phân tử của urea .........................................................................2
Hình 1.3 Các trường hợp phân hủy của urea ..............................................................4
Hình 1.4 Cơng nghệ khơng thu hồi . ...........................................................................9
Hình 1.5 Cơng nghệ thu hồi một phần . ......................................................................9
Hình 1.6 Sơ đồ quy trình sản xuất urea ....................................................................11
Hình 1.7 Thu hồi CO2 ở áp suất cao ........................................................................11
Hình 1.8 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 trung áp ..............................12
Hình 1.9 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 thấp áp ...............................12
Hình 1.10 Cơ đặc dịch urea ......................................................................................13
Hình 1.11 Tháp tạo hạt ..............................................................................................14
Hình 1.12 Sự hình thành hạt theo phương pháp tạo ẩm............................................14
Hình 1.13 Sự hình thành hạt theo phương pháp nén ép ............................................15
Hình 1.14 Sự hình thành hạt theo phương pháp phủ lấp ..........................................15
Hình 1.15 Màu sắc hạt urea; a) Hạt urea trong; b) Hạt urea đục ..............................18

Hình 1.16 Cấu tạo tháp tạo hạt ..................................................................................19
Hình 1.17 Dây chuyền tạo hạt và sản phẩm .............................................................21
Hình 2.1 Sự rơi của hạt .............................................................................................34
Hình 2.2 Bố trí các lưới đồng nhất dùng cho bài tốn đơng đặc hình cầu ................41
Hình 3.1 Vận tốc rơi của các hạt urea (đường kính 0.4 đến 1.2mm) theo chiều cao
tháp. (Điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg
khơng khí khơ, nhiệt độ khơng khí là 30oC). ............................................................44
Hình 3.2 Vận tốc rơi của các hạt urea (đường kính 0.4 đến 3.2mm) theo chiều cao
tháp. (Điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg
khơng khí khơ, nhiệt độ khơng khí là 30oC). ............................................................45
Hình 3.3 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm khơng khí là W=
0,01 (kg nước/ kg khơng khí khơ), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ khơng
khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.8mm) ..................................................................46
Hình 3.4 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm khơng khí là W=
0,02 (kg nước/ kg khơng khí khô), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ khơng
khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.8mm) ..................................................................46
Hình 3.5 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm khơng khí là W=
0,03 (kg nước/ kg khơng khí khơ), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ khơng
khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.8mm) ..................................................................47


viii

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa độ ẩm dọc theo bán kính của hạt (Độ ẩm khơng khí là W=
0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ), điều kiện vận tốc ban đầu là 1m/s, nhiệt độ khơng
khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.4mm) ..................................................................47
Hình 3.7 Mối quan hệ giữa độ ẩm theo bán kính của hạt (Độ ẩm khơng khí là W=
0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ), điều kiện vận tốc ban đầu là 5m/s, nhiệt độ khơng
khí là 30oC, bán kính hạt urea là 0.6mm) ..................................................................48
Hình 3.8 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận tốc

gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ), bán
kính hạt 0.4mm, nhiệt độ khơng khí là 20 oC) ..........................................................49
Hình 3.9 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận tốc
gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ), bán
kính hạt 0.4mm, nhiệt độ khơng khí là 30oC) ...........................................................49
Hình 3.10 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận
tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ),
bán kính hạt 0.4mm, nhiệt độ khơng khí là 40oC) ....................................................50
Hình 3.11 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận
tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ),
bán kính hạt 0.5mm, nhiệt độ khơng khí là 20oC) ....................................................50
Hình 3.12 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận
tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ),
bán kính hạt 0.5mm, nhiệt độ khơng khí là 30oC) ....................................................51
Hình 3.13 Mối quan hệ giữa bán kính hạt và nhiệt độ dọc theo chiều cao tháp (Vận
tốc gió ban đầu là 1m/s, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí khơ),
bán kính hạt 0.5mm, nhiệt độ khơng khí là 40oC) ....................................................51
Hình 3.14 Nhiệt độ ở trung tâm của các giọt so với thời gian đối với các đường kính
hạt khác nhau (Các hạt có đường kính từ 0.4mm đến 1.2mm, Vận tốc ban đầu là 5m/s,
nhiệt độ khơng khí là 30oC, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí
khơ)) ..........................................................................................................................52
Hình 3.15 Nhiệt độ ở trung tâm của các giọt so với thời gian đối với các đường kính
hạt khác nhau (Các hạt có đường kính từ 0.4mm đến 3.2mm, Vận tốc ban đầu là 5m/s,
nhiệt độ khơng khí là 30oC, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí
khơ)) ..........................................................................................................................52
Hình 3.16 Bán kính lỏng của các hạt theo chiều cao tháp (Vận tốc ban đầu là 5m/s,
nhiệt độ khơng khí là 30oC, độ ẩm khơng khí là W= 0,02 (kg nước/ kg khơng khí
khơ)) ..........................................................................................................................54
Hình 3.17 Nhiệt độ ở trung tâm của các giọt so với thời gian đối với các đường kính
hạt khác nhau (vận tốc gió ban đầu thay đổi từ 1 đến 6m/s, độ ẩm khơng khí là 0.02,

bán kính hạt 0.4) ........................................................................................................54
Hình 4.1 Cụm thiết bị phân xưởng Urea nhà máy Đạm Phú Mỹ ..............................59


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đặc tính urea .........................................................................................3
Bảng 2.1 Các thơng số sử dụng trong phương trình mơ phỏng thủy động lực học ..35
Bảng 2.2 Các kí hiệu sử dụng trong phương trình mơ phỏng cân bằng độ ẩm.........36
Bảng 2.3 Giá trị của các thông số trong phương trình mơ phỏng thủy động lực học
...................................................................................................................................38
Bảng 2.4 Giá trị của các thơng số trong phương trình cân bằng độ ẩm ....................39
Bảng 2.5 Giá trị của các thông số trong phương trình mơ phỏng cân bằng nhiệt ....43
Bảng 3.1 Vận tốc cân bằng và thời gian để hạt đạt vận tốc cân bằng .......................44


x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Ý nghĩa

MOL

Phương pháp đường


ODE

hệ thống vi phân thường

PDE

Hệ phương trình đạo hàm riêng

CD

Hệ số trở lực

CFD

Phân tích thủy động học điện tốn

UAN

Nitơ amoni nitrat

PP

Polypropylen

PE

Polyethylen


1


CHƯƠNG 1

1.1

TỔNG QUAN

Tổng quan về urea

1.1.1 Lịch sử phát triển
Urea lần đầu tiên được phát hiện và phân lập từ nước tiểu người bởi H.M.
Rouelle vào năm 1773. 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 ơng 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 ngun liệu ban đầu hồn tồn vơ 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 cơng nghệ sản xuất urea cơng nghiệp sau
này.

Hình 1.1 Hình ảnh tinh thể urea
Cho tới những năm đầu thế kỷ 20 thì urea mới được sản xuất trên quy mơ 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 cơng 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.
1.1.2 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.

Hình 1.2 Cơng 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). Ngồi ra
urea cịn được biết với tên gọi là Cacbamid, Cacbonyldiamide, Carbonyldiamine,
Diaminomethanal, Diaminomethanone. Urea ở dạng tinh thể trắng, là chất hút ẩm và
khơng ăn mịn như Hình 1.1 trình bày. Ở trạng thái tinh khiết nhất, urea khơng 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 khơng
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].
Bảng 1.1 Các đặc tính urea
Thành phần
Tỉ trọng d, g/cm3
Dạng tinh thể và dạng bề ngồi
Điểm nóng chảy, oC
Chỉ số khúc xạ
Năng lượng hình thành tự do ở 25oC, J/mol
Nhiệt nóng chảy, J/g
Nhiệt hịa tan trong nước, J/g
Nhiệt kết tinh, dịch urea nước 70%, J/g
Độ ẩm tương đối

Giá trị
1.32
Dạng kim, lăng trụ, tứ giác
132,7
1,484; 1,602
-197,15

251
243
460
81% (tại 20oC)
73% (tại 30oC)

Nhiệt riêng, J/Kg.K
ở 0oC
50oC
100oC
150oC
Hàm lượng Nitơ
-

1439
1,661
1,887
2,10
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 lịng 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 (1.2), (1.3), (1.4).
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 (1.5).
NH4HCO3 → CO2 + H2O + NH3

(1.5)

Mức độ thủy phân của amoni cacbonat giảm đáng kể khi có mặt NH3. Ngồi ra,
trong điều kiện khơng 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 (1.7).
CO(NH2)2 ↔ NH4NCO ↔ NH3 + HNCO

(1.7)

Hình 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].


5

1.1.3 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 cơng 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 cơng 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, cơng 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 mơi 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 cơng
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 khơng gây ra hiện tượng ăn mịn 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 cịn 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 phịng thí nghiệm:
Urea là một chất biến tính protein mạnh. Thuộc tính này có thể khai thác để làm

tăng độ hịa 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 đốn 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. Nó được lấy thơng số cùng với creatinin
để chỉ ra các vấn đề trực tiếp liên quan tới thận (ví dụ: hư thận mãn tính) hay các vấn
đề thứ cấp như chứng giảm hoạt động tuyến giáp. Nồng độ urea cũng có thể tăng


7

trong một số rối loạn máu ác tính. Nồng độ cao của urea (uremia) có thể sinh ra các
rối loạn thần kinh. Thời gian dài bị uremia có thể làm đổi màu da sang màu xám.
Trong các chẩn đoán khác:
Các loại urea chứa carbon-14 đồng vị phóng xạ, hay carbon-13 đồng vị ổn định
được sử dụng trong xét nghiệm thở urea, được sử dụng để phát hiện sự tồn tại của
Helicobacter pylori (một loại vi khuẩn) trong dạ dày và tá tràng người. Xét nghiệm
này phát hiện enzym urease đặc trưng, được H. pylori sản xuất ra theo phản ứng để
tạo ra amonia từ urea để làm giảm độ pH của môi trường trong dạ dày xung quanh vi
khuẩn. Các lồi vi khuẩn tương tự như H. pylori cũng có thể được xác định bằng cùng
một phương pháp xét nghiệm đối với động vật (khỉ, chó, mèo -bao gồm cả các loại
"mèo lớn" như hổ, báo, sư tử…).
Tình hình thị trường phân bón urea

1.2

1.2.1 Phân urea trên thị trường thế giới
Dân số nhân loại tăng, nông nghiệp phát triển, đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng
phân bón, cụ thể trong số đó là phân urea ngày càng tăng theo thời gian, và được dự
đốn sẽ cịn tiếp tục tăng ít nhất cho đến năm 2030. Tuy nhiên, những năm gần đây,
số liệu thống kê cho thấy tốc độ tăng nhu cầu dành cho phân bón nói chung là thấp
hơn so với trước. Điều này xuất phát từ nhiều nguyên nhân: có thể do nguồn cung
quá nhiều so với cầu dẫn đến thừa thải sản phẩm, hoặc do việc sử dụng phân bón, đặc

biệt là urea, trở nên hiệu quả hơn nhờ các cơng nghệ tiên tiến,... Vì vậy, dự đốn trong
5 năm tới nhu cầu mua phân bón sẽ chỉ tăng chậm và đạt khoảng 199 triệu tấn/năm
2023.
1.2.2 Phân urea trên thị trường Việt Nam
Việt Nam là nước nông nghiệp nên nhu cầu tiêu thụ phân bón, đặc biệt là phân
urea là khá lớn. Tiêu thụ nội địa khoảng 2.4 triệu tấn/năm. Tốc độ tăng trưởng ổn
định 1.5 – 2% mỗi năm. Lúa, ngô và cao su là ba loại cây trồng có nhu cầu phân bón
lớn nhất khi chiếm tỉ lệ lần lượt là 65%, 9% và 8% nhu cầu tiêu thụ phân bón Việt
Nam.
Hiện nay, tại Việt Nam có 4 nhà máy sản xuất urea bao gồm Đạm Hà Bắc, Đạm
Ninh Bình, Đạm Phú Mỹ và Đạm Cà Mau. Cả Đạm Phú Mỹ và Đạm Cà màu đều là


8

những nguồn cung cấp phân đạm nội địa chính. Nguồn nguyên liệu để sản xuất phân
đạm ở nước ta là than đá và khí thiên nhiên. Nhà máy đạm Bắc Hà và nhà máy đạm
Ninh Bình sử dụng than, nhà máy Đạm Phú Mỹ và Cà Mau dùng khí thiên nhiên làm
nguyên liệu.
Hiện tại, năng lực trong nước là 2,340 triệu tấn/năm, bao gồm Đạm Phú Mỹ
800.000 tấn, Đạm Cà Mau 800.000 tấn, Đạm Hà Bắc 180.000 tấn, Đạm Ninh Bình
560.000 tấn. Dự kiến cuối năm 2023, Đạm Hà Bắc nâng công suất từ 180.000 tấn lên
500.000 tấn/năm, cả nước sẽ có 2,660 triệu tấn/năm. Như vậy, sản xuất trong nước
không những phục vụ đủ cho nhu cầu sản xuất nơng nghiệp mà cịn có lượng dư thừa
để xuất khẩu.
Theo số liệu thống kê thì nhập khẩu 8 tháng đầu năm 2021 ở nước ta vào khoảng
gần 3 triệu tấn phân bón các loại. Trong đó, urea nhập khẩu 420.000 tấn, mặc dù
lượng sản xuất trong nước không thiếu nhưng do giá chênh lệch quá lớn giữa urea
sản xuất trong nước và urea nhập khẩu dẫn tới một lượng khá lớn (420.000 tấn) urea
ngoại được nhập vào Việt Nam. Giá thành urea trong nước thời gian qua cao hơn giá

urea nhập khẩu khoảng 1,2 – 2 triệu đồng/tấn (60 -100 USD/tấn). Đây cũng là một
nghịch lý cần phải xem xét để thị trường phân bón được lành mạnh và người nơng
dân thực sự có chi phí hợp lý cho giá thành sản phẩm của họ trong sản xuất nông
nghiệp.
1.3

Tổng quan về quy trình sản xuất urea
Trên thế giới, các phương pháp sản xuất urea phân chia dựa vào khả năng thu

hồi vật liệu thô, đã phát triển thành ba công nghệ chính như sau:
Thứ nhất, cơng nghệ khơng thu hồi như Hình 1.4 trình bày. Quy trình khơng
thu hồi là quy trình đơn giản nhất và chi phí ít nhất (cả vốn và chi phí hoạt động)
trong số ba quy trình. Tuy nhiên, nó lại kém linh hoạt và khó có thể hoạt động trừ khi
có khả năng để sử dụng một lượng lớn ammonia và xử lý khí thải. CO2 và NH3 (sản
phẩm từ quá trình phân giải) được mang đến các phân xưởng khác để sản xuất các
loại phân bón khác như như: ammonium nitrate, ammonium sulphate…Cacbamat
chưa chuyển hóa được phân hủy thành NH3 và khí CO2 bằng cách gia nhiệt hỗn hợp
với công nghệ ở điều kiện thấp áp. Khí NH3 và CO2 thốt khỏi dịch urea và được sử


9

dụng để sản xuất các muối amôn bằng cách hấp thụ NH3 trong acid sunfuaric và acid
photphoric.
Đóng khí (Áp suất cao)

Nước thải

Đóng khí (Áp suất thấp)


Chuyển đổi NH3 35%
Chuyển đổi CO2 75%

Hơi nước

Lò phản ứng urea 200
atm, 185°C
NH3 lỏng dư 100%

Hơi nước

Dung dịch urea
Áp suất thấp 80% urea Kết thúc

Áp suất cao

Tháp phân hủy Cacbamat

Khí CO2

Hình 1.4 Cơng nghệ khơng thu hồi [4].
Ammonia
80%urea
Chuyển đổi
NH3 35%
Chuyển đổi
CO 2 7%

NH3 lỏng dư
100-110%


Lò sấy

Bộ hấp thụ
áp suất cao

Lò phản
ứng urea
Bộ tách
cao áp

Tháp phân hủy Tổng hợp
Cacbamat cao áp khí đốt
đồng nhất
sản phẩm

Khí CO 2
Tháp phân hủy
Cacbamat thấp áp
Lị sấy

Kết thúc
Tái chế dung dịch
Carbamate

Hình 1.5 Công nghệ thu hồi một phần [4].
Thứ hai, công nghệ thu hồi một phần như Hình 1.5 trình bày. Một phần khí thải
được tái chế trở lại lị phản ứng. Amoniac giảm xuống còn 15% so với lượng của q
trình cơng nghệ khơng thu hồi, và sau đó được dùng cho q trình khác. Nó có ứng
dụng trong các nhà máy sản xuất sản phẩm dạng nitơ amoni nitrat (UAN). Khí thải

ra từ cơng đoạn phân huỷ có chứa NH3, CO2: Một phần được sử dụng làm nguyên


10

liệu cho sản xuất các loại phân bón khác. Phần cịn lại tuần hồn lại hệ thống để tham
gia phản ứng tiếp.
Thứ ba, quy trình thu hồi hồn tồn. Việc phân hủy cacbamat được thực hiện
bằng việc kết hợp gia nhiệt, giảm áp và quá trình stripping (quá trình này làm giảm
áp suất riêng của một hoặc nhiều thành phần). Tổng chuyển hóa NH3 khoảng 99%.
Kết quả khơng có sản phẩm phụ chứa Nitơ tạo thành và việc sản xuất urea chỉ phụ
thuộc vào việc cung cấp CO2 và NH3. Dịch urea thu được sau công đoạn phân hủy
thường đạt nồng độ 65-77%. Dịch này có thể được sử dụng để sản xuất các loại phân
bón chứa Nitơ hoặc chúng được cơ đặc để sản xuất urea. Khí NH3 và CO2 thu hồi từ
dịng cơng nghệ của tháp tổng hợp trong các công đoạn phân hủy ở các áp suất khác
nhau (cao áp, trung áp và thấp áp) được hấp thụ trong nước và được tái tuần hoàn trở
lại cho tháp tổng hợp dung dịch cacbamat amơn lỏng có chứa Amoniac. Khoảng một
nửa sản lượng urea của thế giới sản xuất theo cơng nghệ này.
1.3.1 Quy trình sản xuất phân urea
Quy trình sản suất urea được mơ tả trong Hình 1.6. Urea được tạo ra từ amoniac
cacbon dioxit theo hai phản ứng cân bằng (1.8), (1.9).
2NH3 + CO2 ⇄ NH2COONH4

(1.8)

NH2COONH4 ⇄ NH2CONH2 + H2O

(1.9)

Quy trình sản xuất urea được thiết kế để tối đa hóa các phản ứng này trong khi

ức chế sự hình thành biuret (1.10).
2NH2CONH2 ⇄ NH2CONHCONH2 + NH3

(1.10)

Phản ứng này là khơng mong muốn, khơng chỉ vì nó làm giảm sản lượng urea,
mà vì biuret làm cháy lá cây. Điều này có nghĩa là urea có chứa hàm lượng biuret cao
khơng thích hợp để sử dụng làm phân bón.
Các cơng đoạn chính:
-

Cơng đoạn nén CO2
CO2 bão hịa hơi nước độ tinh khiết tối thiểu 98,5% thể tích, có nhiệt độ 45oC

và áp suất 0,18 bar lấy từ phân xưởng Amoniac, lượng lỏng cuốn theo được tách ra
và được đưa về hệ thống thải lỏng, lượng CO2 được đưa tới cửa hút thứ nhất của máy
nén.


11

Máy nén ly tâm bao gồm bốn cấp trung gian và được chia làm hai vùng nén thấp
áp và cao áp. Sau mỗi cấp đều được trang bị một thiết bị làm mát và một thiết bị tách
với mục đích làm nguội và tách lỏng trong dịng khí. Nhiệt đơ tại cửa hút của cấp nén
thứ tư được khống chế để tránh hiện tượng hóa rắn của CO2.
Carbonate
Nén CO2

NH3


Tổng
hợp cao
áp

Phân
giải và
thu hồi
cao áp

Carbonate

Phân
giải và
thu hồi
trung áp

Dung dịch
urea

Phân
giải và
thu hồi
thấp áp

Cô đặc
chân
khơng
(Urea
96%)


Urea đến
xưởng tạo hạt

Dung dịch
urea
NH3

Xử lý
nước
ngưng

H2O

Hình 1.6 Sơ đồ quy trình sản xuất urea [4]

Hình 1.7 Thu hồi CO2 ở áp suất cao [4]
Dịng khí CO2 sau khi đi qua thiết bị tách lỏng, vào đến cửa hút của máy nén có
áp suất khoảng 0,12 bar, được nén đến khoảng 4.6 bar trong cấp nén đầu tiên, đến
khoảng 18,9 bar trong cấp nén thứ hai, đến 69.9 bar trong cấp nén thứ ba và sau cấp
nén cuối cùng áp suất lên 157 bar. Tổng hợp urea và thu hồi CO2 ở áp suất cao như
Hình 1.7 mơ tả.
Hỗn hợp CO2 và NH3 được nén ở 240 bar được đưa vào thiết bị phản ứng để tạo
thành amoni cacbamat. Đây là một phản ứng tỏa nhiệt và nhiệt được thu hồi bởi một


12

lò hơi nước. Lò phản ứng đầu tiên thực hiện chuyển đổi 78% carbon dioxide thành
urea và chất lỏng sau đó được tinh chế. Lị phản ứng thứ hai nhận khí từ lị phản ứng
thứ nhất và dung dịch tái chế từ thiết bị phân giải và cô đặc. Sự chuyển hóa carbon

dioxide thành urea là khoảng 60% ở áp suất 50 bar. Sau đó, dung dịch được tinh chế
trong cùng một quy trình như được sử dụng cho chất lỏng từ lị phản ứng đầu tiên.
-

Cơng đoạn tinh chế urea và thu hồi NH3 ở áp suất trung bình và áp suất thấp.

-

Hình 1.8 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 trung áp [4]

Các tạp chất chính trong hỗn hợp ở giai đoạn này là nước từ phản ứng sản xuất
urea và các chất phản ứng chưa phản ứng (amoniac, carbon dioxide và amoni
carbamate). Các chất phản ứng chưa phản ứng được loại bỏ trong ba giai đoạn. Thứ
nhất, áp suất giảm từ 240 bar xuống 17 bar và dung dịch được làm nóng, làm cho
amoni cacbamat phân hủy thành amoniac và cacbon đioxit (1.11).

Hình 1.9 Phân hủy cacbanmate và thu hồi NH3 - CO2 thấp áp [4]