3.2. KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HIỆN TƯỢNG KẾT KHỐI URÊ
3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố khí hậu đến hiện tượng kết khối urê
3.2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình đóng rắn/kết
Thí nghiệm 7:
- Mẫu nghiên cứu từ dịch nóng chảy (chuẩn bị theo phương pháp trình bày trong mục 2.3) sau khi đóng rắn được bảo quản để tiếp tục quá trình đóng rắn/kết tinh trong tủ môi trường tại độ ẩm 70% (tương đương với độ ẩm tương đối tới hạn của urê ở nhiệt độ 30 oC). Nhiệt độ môi trường được duy trì theo các phương án khác nhau:
+ Phương án 1: mẫu nóng chảy được đóng rắn/kết tinh tiếp tại môi trường có nhiệt độ 30oC:
+ Phương án 2: mẫu nóng chảy được đóng rắn/kết tinh tiếp tại môi trường có nhiệt độ 40 oC;
+ Phương án 3: mẫu nóng chảy được đóng rắn/kết tinh tiếp tại môi trường có nhiệt độ 50 oC.
- Sau khi đóng rắn/kết tinh tiếp trong thời gian 120 phút, tiến hành khảo sát hình thái cấu trúc bằng phương pháp SEM trên thiết bị kính hiển vi điện tử quét 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 trên hình 3.6 cho thấy nhiệt độ của mẫu urê nóng chảy trong quá trình đóng rắn/kết tinh có ảnh hưởng rõ rệt đến sự phát triển, hoàn thiện về mặt hình thái cấu trúc pha rắn thu được.
Hình 3.7. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu urê đóng rắn/ kết tinh tại độ ẩm 70% và các nhiệt độ môi trường khác nhau lần lượt là 30oC, 40oC và 50oC
2-Theta - Scale
Urea, syn
0 100 200 300 400 500 600
10 20 30 40 50 60 70 80
d=3.95367
d=3.95367
d=3.95367
Mẫu a –nhiệtđộ30oC
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
Mẫu b –nhiệtđộ40oC
Mẫu c –nhiệtđộ50oC
2-Theta - Scale
Urea, syn
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
10 20 30 40 50 60 70 80
10 2020 3030 4040 5050 6060 7070 8080
d=3.95367
d=3.95367
d=3.95367
Mẫu a –nhiệtđộ30oC
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
Mẫu b –nhiệtđộ40oC
Mẫu c –nhiệtđộ50oC
+ Ở nhiệt độ 500C, pha rắn thu được có hình thái cấu trúc chưa rõ ràng, dạng các khối kết tụ xen kẽ một số vi tinh thể đang có xu hướng phát triển nên hình ảnh có độ tương phản thấp (hình 3.6c).
+ Ở nhiệt độ 400C, pha rắn thu được có hình thái cấu trúc rõ ràng hơn, các phần tử chất rắn xuất hiện với mật độ cao, kích thước tương đối đồng đều kèm theo nhiều hốc khuyết tật, hình ảnh có độ tương phản cao hơn. Tuy nhiên, giữa các phần tử vẫn có dấu hiệu của sự kết tụ đang phát triển (hình 3.6b).
+ Ở nhiệt độ 300C, pha rắn thu được có hình thái cấu trúc rõ ràng nhất với nhiều tinh thể kích thước lớn xen kẽ với các tinh thể có kích thước nhỏ hơn. Ranh giới tiếp xúc giữa các tinh thể khá rõ ràng thể hiện sự ổn định hơn cả về hình thái cấu trúc sau cùng một thời gian phát triển và hoàn thiện (hình 3.6a).
- Giản đồ XRD trên hình 3.7 cũng cho kết quả hoàn toàn phù hợp với kết quả đã thu được trên ảnh SEM (hình 3.6). So sánh một cách tương đối, mẫu urê đóng rắn/kết tinh tại nhiệt độ 30oC có độ hoàn thiện tinh thể cao hơn mẫu đóng rắn/kết tinh tại nhiệt độ 40oC; thể hiện qua cường độ nhiễu xạ và độ sắc nét của píc tại góc 2θ = 24,5o. Mẫu đóng rắn/kết tinh tại nhiệt độ 50oC có
độ hoàn thiện tinh thể thấp nhất với các tinh thể có kích thước nhỏ (píc tại góc 2θ = 24,5o có cường độ thấp và độ mở của vạch nhiễu xạ rộng).
- Như vậy khi thay đổi nhiệt độ khối đóng rắn/kết tinh, độ hoàn thiện về hình thái cấu trúc tinh thể urê cũng thay đổi theo. Trong cùng một thời gian theo dõi kể từ lúc bắt đầu quá trình đóng rắn/kết tinh, nếu nhiệt độ khối đóng rắn/kết tinh càng thấp thì hình thái cấu trúc tinh thể urê càng rõ ràng chứng tỏ mức độ phát triển hoàn thiện cấu trúc pha rắn càng cao. Hiện tượng này được giải thích trên cơ sở lý thuyết kết tinh mà động lực chính của quá trình là độ quá lạnh T = Tcr – T, trong đó Tcr là nhiệt độ tại đó hệ bắt đầu kết tinh và T là nhiệt độ trung bình của hệ. Khi nhiệt độ của khối đóng rắn/kết tinh càng thấp tức độ quá lạnh càng cao thì pha rắn tách ra càng nhanh với cấu trúc không ổn định, chứa nhiều khuyết tật, độ bão hoà về liên kết kém. Lúc này, pha rắn có mức năng lượng tự do bề mặt lớn, về nguyên tắc nó phải tiếp tục được hoàn thiện để sớm chuyển sang trạng thái có cấu trúc ổn định với mức năng lượng thấp hơn theo nguyên lý già hoá/phát triển. Do đó, sau cùng một khoảng thời gian theo dõi, khi nhiệt độ duy trì quá trình đóng rắn/kết tinh thấp hơn thì cấu trúc hình thành sớm ổn định hơn theo kết quả ghi nhận trên ảnh SEM là điều hoàn toàn phù hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết.
- Trên thực tế sản xuất công nghiệp, khi quá trình trao đổi nhiệt trong tháp tạo hạt tốt thì hạt urê tạo thành có kích thước đồng nhất hơn, độ bền cơ học cao hơn, bề mặt hạt mịn và ít bám bụi hơn. Quá trình trao đổi nhiệt này không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào lưu lượng và độ ẩm của không khí làm lạnh.
+ Nhiệt độ và độ ẩm không khí làm lạnh đi vào tháp là các yếu tố khách quan, hoàn toàn phụ thuộc vào đặc điểm của tiểu khí hậu các vùng, miền. Ở phía Nam, nhiệt độ không khí trung bình quanh năm thường ở mức cao (~ 30
0C) trong khi ở miền Bắc, nhiệt độ trung bình thường không ổn định, biến động theo các mùa, chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm lớn, độ ẩm không khí cao (trên 80%) nên ảnh hưởng của các yếu tố này đến quá trình tạo hạt và tính chất cơ lý của hạt rất lớn.
+ Việc giảm nhiệt độ quá trình đóng/rắn kết tinh có thể thực hiện bằng cách tăng lưu lượng không khí làm lạnh vào tháp. Khi lưu lượng không khí làm lạnh càng lớn thì quá trình trao đổi nhiệt xảy ra càng nhanh song nếu tốc độ không khí quá cao sẽ tạo ra phản lực cản trở chuyển động rơi tự do của hạt.
Khi đó, hạt chậm thoát ra khỏi vùng có cường độ nhiệt cao trong khi chưa
đóng cứng hoàn toàn nên dễ bị vỡ ra thành nhiều hạt nhỏ hơn [14]; kết quả là sản phẩm có kích thước không đồng nhất, dễ bị kết khối.
+ Mặt khác, việc tăng lưu lượng không khí làm lạnh một cách cưỡng bức sẽ làm tăng độ quá lạnh của khối đóng rắn/kết tinh làm cho quá trình này xảy ra nhanh hơn song cấu trúc hạt kém đồng nhất hơn. Vì vậy, hạt sản phẩm vẫn phải tiếp tục quá trình già hóa/hoàn thiện cấu trúc hạt sau khi ra khỏi tháp tạo hạt, trong điều kiện sản phẩm đã được đóng bao xếp khối bảo quản. Đây cũng là nguyên nhân gây nên hiện tượng kết khối nghiêm trọng trên thực tế khi sản phẩm được đóng bao kín, cách ly với không khí ẩm của môi trường đã đề cập đến khi bàn luận về vấn đề kết khối của sản phẩm tại Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc.
+ Tại Nhà máy đạm Phú Mỹ thuộc Công ty Phân bón và Hóa chất Dầu khí, việc trao đổi nhiệt trong tháp được thực hiện theo phương pháp đối lưu tự nhiên nên lưu lượng không khí làm nguội đi vào tháp là đại lượng không thể kiểm soát được, hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm môi trường và tốc độ gió lưu thông tự nhiên. Vì vậy, tính chất khí hậu trong trường hợp này gần như đóng vai trò chính quyết định tính chất cơ lý của sản phẩm urê cũng như khả năng bị kết khối của sản phẩm trong quá trình bảo quản về sau.
Tóm lại, trong điều kiện thực tế tại Việt Nam bao gồm cả điều kiện thực tế về quy trình công nghệ và thiết bị tạo hạt tại Nhà máy Đạm Hà Bắc và Nhà máy Đạm Phú Mỹ cũng như điều kiện tiểu khí hậu các vùng miền, vấn đề kết khối của sản phẩm urê là vấn đề quan trọng, cần thiết phải quan tâm. Để xử lý và giải quyết vấn đề này có thể áp dụng các biện pháp khác nhau, tác động trực tiếp hoặc gián tiếp vào các nguyên nhân gây nên hiện tượng kết khối đã khảo sát mà chúng ta sẽ nghiên cứu ở phần sau.