3.3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ KẾT KHỐI SẢN PHẨM URÊ
3.3.1. Nghiên cứu về giải pháp bảo quản sản phẩm trong kho bảo ôn
3.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ bảo quản sản phẩm đến xu hướng kết khối urê
Thí nghiệm 8:
- Việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ bảo quản sản phẩm đến xu hướng kết khối urê được thực hiện trên đối tượng nghiên cứu là dịch urê nóng chảy theo phương pháp đã trình bày trong mục 2.3.
- Mẫu dịch nóng chảy sau khi đóng rắn/kết tinh được bảo quản tiếp trong tủ môi trường tại độ ẩm 70%. Nhiệt độ bảo quản được duy trì theo 3 phương án, mô phỏng theo sự thay đổi nhiệt độ của sản phẩm diễn ra trong thực tế sản xuất công nghiệp:
+ Phương án 1: mẫu đóng rắn/kết tinh được bảo quản tiếp trong thời gian 120 phút tại nhiệt độ 60oC – tương đương với nhiệt độ của sản phẩm tại thời điểm đóng bao;
+ Phương án 2: mẫu đóng rắn/kết tinh được bảo quản tiếp trong thời gian 120 phút tại nhiệt độ 30oC – tương đương với nhiệt độ trung bình của môi trường trong kho bảo quản;
+ Phương án 3: mẫu đóng rắn/kết tinh được bảo quản tiếp trong thời gian 60 phút tại nhiệt độ 60oC và sau đó trong thời gian 60 phút tại nhiệt độ 30oC – tương đương với quá trình thay đổi nhiệt độ của sản phẩm trong kho bảo quản sau khi đóng bao ở nhiệt độ 60oC;
- Mẫu urê sau đó được phân tích hình thái cấu trúc bằng phương pháp SEM trên thiết bị chụp SEM hiệu JEOL 5410 LV (Nhật) và khảo sát thành phần pha theo phương pháp X-ray trên thiết bị nhiễu xạ tia X hiệu D8- Advance Brucker (Đức) với góc nhiễu xạ 2θ = 10-81,009 o, tốc độ ghi 0,03
o/s, điện cực anot bằng Đồng.
Nhận xét:
- Ảnh SEM thu được trên hình 3.8 cho thấy nhiệt độ môi trường bảo quản urê sau khi đóng rắn/kết tinh có ảnh hưởng rõ rệt đến sự phát triển hình thái cấu trúc tinh thể/hạt urê.
(a) (b) (c)
Hình 3.8. Hình thái cấu trúc urê sau khi được bảo quản 120 phút tại nhiệt độ 60 0C (a), 120 phút tại nhiệt độ 30 oC (b), 60 phút tại nhiệt độ 60oC và sau đó tiếp tục 60
phút tại nhiệt độ 30 0C (c), độ phóng đại 500 lần
Hình 3.9. Phổ XRD của các mẫu urê sau khi được bảo quản 120 phút tại nhiệt độ 60 0C (a), 120 phút tại nhiệt độ 30 oC (b), 60 phút tại nhiệt độ 60oC và sau đó tiếp tục 60 phút
tại nhiệt độ 30 0C (c)
+ Ở nhiệt độ 600C (tương ứng với nhiệt độ của urê tại thời điểm đóng bao trong dây chuyền sản xuất công nghiệp), bên cạnh các cấu trúc lớn ở trạng thái đan xen vào nhau thành nhánh vẫn tồn tại các vi tinh thể nằm rời rạc, chưa thể hiện xu thế phát triển thành những tinh thể lớn hơn (hình 3.8a).
+ Ở nhiệt độ 30 0C (tương ứng với nhiệt độ trung bình của không khí môi trường trong kho bảo quản), các cấu trúc lớn có kích thước phát triển hơn còn các vi tinh thể đang ở trạng thái phát triển theo xu hướng hợp nhất và kết tụ lại với nhau (hình 3.8b).
+ Ở phương án thí nghiệm mà mẫu khảo sát được bảo quản 60 phút tại nhiệt độ 60 oC sau hạ nhiệt được bảo quản tiếp 60 phút ở nhiệt độ 30 oC (hình
2-Theta - Scale
Urea, syn
2-Theta - Scale
Urea, syn
10 2020 3030 4040 5050 6060 7070 8080
M u - á a
M?u u rê- án b d=3.95367
d=3.95367
d=3.95367
0 200 300 400 500 600
0 100
0 0 200 300 400 500 600
0 100
0
2- - Scale
Urea, syn
20 30 40 50 60 70 80
20 30 40 50 60 70 80
2- - Scale
Urea, syn
Lin (Cps)
20 30 40 50 60 70 80
20 30 40 50 60 70 80
20 3030 4040 5050 6060 7070 8080
d=3.95367 7
0 200 300 400 500 600
0 100
0 0 200 300 400 500 600
0 100
0 0 200 300 400 500 600
0 100
0 0 200 300 400 500 600
0 100
0
d=3.95367 7
d=3.95367 7
0 200 300 400 500 600
100
Mẫu urê phương án a
Mẫu urê phương án b Mẫu urê phương án c
3.8c), hình thái cấu trúc thu được có độ hoàn thiện cao hơn hẳn so với các phương án còn lại. Ranh giới giữa các cấu trúc lớn sắc nét và rõ ràng, số lượng các vi tinh thể còn lại không nhiều, chứng tỏ quá trình già hóa/hoàn thiện đã xảy ra triệt để hơn.
- Giản đồ XRD trên hình 3.9 cũng cho kết quả hoàn toàn phù hợp với kết quả đã thu được trên ảnh SEM (hình 3.8). So sánh một cách tương đối, sau 120 phút mẫu urê đóng rắn/kết tinh tại nhiệt độ 30oC (phương án a) có độ hoàn thiện tinh thể cao hơn mẫu đóng rắn/kết tinh tại nhiệt độ 60oC (phương án b); thể hiện qua cường độ nhiễu xạ và độ sắc nét của píc tại góc 2θ = 24,5o. Mẫu đóng rắn/kết tinh trong 60 phút tại nhiệt độ 60oC sau đó trong 60 phút tại nhiệt độ 30oC có độ hoàn thiện tinh thể cao nhất (phương án c), đặc trưng bởi píc tại góc 2θ = 24,5o có cường độ cao; và sắc nét.
Như vậy, có thể nói rằng nhiệt độ cũng như chế độ duy trì nhiệt độ trong quá trình bảo quản sản phẩm trong kho chứa có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình già hóa/hoàn thiện cấu trúc hạt urê; tức là ảnh hưởng đến tính kết khối của sản phẩm trong kho bảo quản.
3.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ bảo quản đến hệ số kết khối urê hạt Thí nghiệm 9:
- Để kiểm chứng lại kết quá nghiên cứu trong mục 3.3.1.1, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bảo quản đến hệ số kết khối của urê hạt. Thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp kiểm tra kết khối nhanh mô tả trong mục 2.3.
- Đối tượng nghiên cứu là urê hạt lấy ngay sau tháp tạo hạt của Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc.
- Chế độ nhiệt trong thời gian bảo quản được thiết lập theo 3 phương án, tương tự như các phương án đã mô tả trong thí nghiệm 8.
- Thời gian bảo quản thống nhất cho cả 3 phương án là 3x24 = 72h (3 ngày đêm). Sau thời gian trên, phá vỡ mẫu đã bị kết khối bằng cách cho bao mẫu rơi tự do từ độ cao 0,5 m xuống sàn rồi sàng phân loại bằng sàng có kích thước mắt sàng 4cm x 4cm, xác định tỷ lệ phần trăm urê trên sàng và tính toán hệ số kết khối theo công thức 1.1.
Bảng 3.4. Hệ số kết khối của urê hạt sau thời gian bảo quản 3 ngày tại các nhiệt độ bảo quản khác nhau
Phương án thí nghiệm Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Nhiệt độ môi trường bảo
quản 60oC 30oC 30oC (1,5 ngày)
60oC (1,5 ngày) Hệ số kết khối trung
bình σ, % 5,5 8,7 10,2
Nhận xét:
- Kết quả khảo sát trình bày trong bảng 3.4 cho thấy nhiệt độ môi trường bảo quản cũng như sự thay đổi chế độ nhiệt trong quá trình bảo quản sản phẩm sau khi đóng rắn/kết tinh có ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình già hóa/phát triển/hoàn thiện cấu trúc tinh thể và hạt urê; qua đó sẽ gián tiếp ảnh hưởng đến hệ số kết khối của sản phẩm.
+ Hệ số kết khối của urê khi bảo quản trong môi trường có sự thay đổi nhiệt độ (PA3) cao hơn so với trong hai phương án đầu;
+ Hệ số kết khối của urê khi bảo quản ở nhiệt độ ngang bằng với nhiệt độ khi đóng bao (PA1- 60 oC) thấp hơn khi bảo quản ở nhiệt độ 30 oC (PA2) tức là khi urê sau tháp tạo hạt đã được làm nguội từ nhiệt độ 60 oC xuống 30
oC. Điều này được giải thích bởi sự ổn định nhiệt độ của sản phẩm đã hạn chế được quá trình già hóa/phát triển/hoàn thiện cấu trúc tinh thể và hạt, từ đó hạn chế phát sinh các liên kết tinh thể mới trong khi hạt sản phẩm phải đồng thời chịu thêm tác động của lực nén ép trong bao gói là nguyên nhân gây nên hiện tượng kết khối.
- Kết quả khảo sát định định lượng này hoàn toàn phù hợp với kết quả khảo sát định tính (thí nghiệm 8) đã trình bày trong mục 3.3.1.1 ở trên. Trên thực tế sản phẩm được đóng bao ở nhiệt độ cao (~60 oC) để xếp khối bảo quản trong kho chứa nên trong thời gian bảo quản này thường xuyên xảy ra sự thay đổi nhiệt độ của chính sản phẩm do sản phẩm tự nguội đi hoặc do sự biến động nhiệt độ trong kho giữa ban ngày và ban đêm và là nguyên nhân thúc đẩy quá trình già hóa/hoàn thiện cấu trúc tinh thể và hạt. Vì vậy, sản phẩm sau thời gian bảo quản dễ bị hiện tượng kết khối là vấn đề hoàn toàn phù hợp với quy luật và phù hợp với kết luận của một số tác giả khác “sự thay đổi nhiệt độ của sản phẩm trong thời gian bảo quản là yếu tố ảnh hưởng tới mức độ kết khối của phân bón” [93].
- Phương pháp luận đặt ra: nếu hạn chế được sự thay đổi nhiệt độ của sản phẩm trong thời gian bảo quản trong kho chứa sẽ hạn chế được mức độ kết khối của sản phẩm trong giai đoạn này. Để hạn chế được sự thay đổi nhiệt độ của sản phẩm trong thời gian bảo quản trong kho chứa có thể áp dụng một trong hai biện pháp sau:
+ Biện pháp thứ nhất: làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ càng gần với nhiệt độ không khí môi trường trước khi đóng bao bảo quản càng tốt. Tuy nhiên phương pháp này khó áp dụng và kém hiệu quả vì để làm nguội sản phẩm từ nhiệt độ ~60oC xuống tới nhiệt độ môi trường (trung bình 25-30 oC) cần phải thiết kế, lắp đặt, vận hành thêm thiết bị làm nguội cưỡng bức công suất lớn hoặc kéo dài thêm hệ thống băng tải sản phẩm rất nhiều lần để tăng thời gian lưu của sản phẩm ở trạng thái tự do hạ nhiệt độ trước khi đóng bao.
Vào thời điểm độ ẩm môi trường cao, việc làm nguội cưỡng bức bằng không khí ẩm rất có thể sẽ làm cho sản phẩm tích lũy thêm ẩm từ môi trường, phát sinh hiện tượng hòa tan hình thành dung dịch bề mặt. Khi đó, vấn đề kết khối càng trở nên nghiêm trọng hơn.
+ Biện pháp thứ hai: duy trì nhiệt độ bảo quản trong kho chứa ngang bằng với nhiệt độ sản phẩm khi đóng bao (~ 60 oC). Đây chính là cơ sở khoa học giải thích cho nguyên lý của công nghệ bảo quản urê hạt dạng rời trong kho bảo ôn ở nhiệt độ 60 – 70 0C đang được áp dụng tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ. Nhiệt độ sản phẩm trong thời gian bảo quản được duy trì ổn định nên hạn chế được các quá trình biến đổi vật lý bên trong và trên bề mặt hạt sản phẩm, từ đó hạn chế được hiện tượng kết khối.
Tuy nhiên, việc áp dụng biện pháp này vẫn gặp nhiều hạn chế. Trên thực tế sản phẩm trong kho bảo ôn tại nhà máy vẫn bị kết khối. Điều này có thể được lý giải theo kết quả nghiên cứu đã trình bày trong phần 3.1. Do quá trình tạo hạt được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ và độ ẩm không khí môi trường cao nên hạt sản phẩm tạo ra chưa hoàn thiện, chứa lẫn nhiều mạt và bụi urê không tách được bằng sàng phân loại. Các thành phần này tự liên kết với nhau và với hạt sản phẩm tiêu chuẩn theo liên kết vật lý và liên kết cầu tinh thể và là nguyên nhân gây nên kết khối như đã gặp.Để giải quyết vấn đề này, không khí trong kho bảo ôn cần phải được lưu thông qua khối sản phẩm từ dưới lên trên, trước tiên để hạn chế tương tác vật lý giữa các hạt với nhau, sau đó là hạn chế sự hình thành liên kết cầu tinh thể cũng như giảm cường độ của liên kết này. Khi đó, quá trình hoàn thiện cấu trúc hạt và lớp bề mặt hạt vẫn xảy ra nhưng không đồng thời với sự hình thành các liên kết tiếp xúc pha mới. Theo tài liệu, dòng không khí lưu thông trong kho chứa phải có độ ẩm
tương đối thấp hơi điểm hút ẩm của sản phẩm (<70%), tốc độ lưu thông phải đạt 0,01-1,5 cm/s [15].
Ngoài ra, sản phẩm sau khi được đóng bao đi tiêu thụ vẫn tiếp tục bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ của môi trường bên ngoài kho và trên đường tiêu thụ nên vẫn tiếp tục các quá trình hoàn thiện mới và vẫn bị kết khối. Nói cách khác, việc bảo quản urê theo phương pháp nói trên vẫn còn nhiều hạn chế và chưa thể giải quyết được triệt để vấn đề kết khối của sản phẩm, nhất là trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Vì vậy, song song với việc bảo quản sản phẩm trong kho bảo ôn, vẫn cần thiết phải xử lý hạn chế kết khối cho urê theo một phương pháp khác có hiệu quả hơn.