3.1. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH NGUYÊN NHÂN KẾT KHỐI URÊ TRONG SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP TẠI VIỆT NAM
3.1.1. Nghiên cứu định tính về hiện tượng kết khối trên sản phẩm urê công nghiệp
Việc nghiên cứu định tính về hiện tượng kết khối được thực hiện trên đối tượng nghiên cứu là urê hạt lấy trực tiếp ngay sau tháp tạo hạt của Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc, trước khi đi vào hệ thống đóng bao bảo quản.
Tại thời điểm lấy mẫu, sản phẩm có nhiệt độ 65 – 70oC, không khí môi trường có nhiệt độ 29-30oC và độ ẩm tương đối 70-72%.
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp kiểm tra kết khối nhanh đã trình bày trong mục 2.1.1 và phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).
3.1.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ sản phẩm khi đóng bao đến hệ số kết khối của urê hạt
Thí nghiệm 1:
- Sản phẩm urê hạt được sàng loại bỏ hạt to, hạt nhỏ và bụi để lấy mẫu hạt có kích thước 1,2-1,7 mm. Thao tác cần được thực hiện nhanh để sau khi thực hiện xong, nhiệt độ sản phẩm vẫn còn ở mức cao (> 60oC);
- Chia sản phẩm thành 3 phần để khảo sát với các phương án thí nghiệm khác nhau, mỗi phương án được lặp lại 5 lần để lấy kết quả trung bình:
+ Trong phương án 1, urê được dồn vào khuôn mẫu ngay tại nhiệt độ 60oC, tương ứng với nhiệt độ của sản phẩm khi đóng bao trong sản xuất công nghiệp;
+ Trong phương án 2, urê được dồn vào khuôn mẫu sau khi đã làm nguội tự nhiên xuống 30oC, tương ứng với nhiệt độ trung bình trong kho bảo quản;
+ Trong phương án 3, urê được dồn vào khuôn mẫu sau khi trải qua quá trình làm nguội xuống 30oC rồi được gia nhiệt lại đến 60oC trong tủ sấy, tương ứng với biên độ biến động nhiệt độ của sản phẩm trong kho bảo quản.
- Sau thời gian 72 giờ, các mẫu được xác định lực kết khối trên thiết bị đo độ cứng vật liệu hiệu SHIMPO (Đức). Mẫu khảo sát có lực kết khối nhỏ hơn được xem như có hệ số kết khối thấp hơn. Kết quả được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Lực kết khối của urê tại các nhiệt độ đóng bao khác nhau
Phương án thí nghiệm
Nhiệt độ sản phẩm khảo sát
Lực kết khối σ, kPa
TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 Trung bình Phương án
1 Tại nhiệt độ 60oC 85,3 87,4 86,5 86,1 86,7 86,4 Phương án
2
Sau khi làm nguội
xuống 30oC 47,8 48,6 46,5 47,5 47,7 47,6 Phương án
3
Làm nguội xuống 30oC rồi gia nhiệt
đến 60oC
34,4 35,1 36,2 34,7 35,3 35,0 Nhận xét:
- Trong cùng một môi trường bảo quản, khi thời gian và ứng suất nén tác động lên sản phẩm như nhau thì nhiệt độ của chính sản phẩm khi tiến hành khảo sát có ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số kết khối của sản phẩm. Sản phẩm được khảo sát tại nhiệt độ 60oC (phương án 1) có mức độ kết khối cao hơn so với sản phẩm được khảo sát sau khi nhiệt độ giảm xuống còn 30oC (phương án 2).
Đáng chú ý là phương án 3, sản phẩm được khảo sát sau khi đã trải qua quá trình làm nguội xuống 30oC rồi lại được gia nhiệt đến nhiệt độ 600C như ban đầu có mức độ kết khối thấp nhất.
- Sự khác biệt về mức độ kết khối giữa phương án 1 và phương án 2 cho thấy việc urê sau tháp tạo hạt được đóng bao ngay tại nhiệt độ cao là nguyên nhân làm cho khả năng bị kết khối của sản phẩm trong khi bảo quản cao hơn so với khi sản phẩm được làm nguội thêm trong các thiết bị trung
gian khác. Kết quả nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu định lượng đã được công bố trong các công trình [58, 61] song chưa đủ cơ sở khoa học để xác định nguyên nhân của hiện tượng kết khối urê trong trường hợp này.
- Sự khác biệt về hệ số kết khối của sản phẩm giữa phương án 1 và phương án 3 cho thấy sự thay đổi nhiệt độ bất thường của sản phẩm trước khi đóng bao là nguyên nhân chính làm hạn chế khả năng bị kết khối của urê trong khi bảo quản. Như vậy, chắc chắn đã xảy ra một quá trình biến đổi cơ lý nào đó liên quan đến yếu tố nhiệt động và là nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến tính kết khối của sản phẩm urê hạt trong thời gian bảo quản. Quá trình biến đổi này có thể xuất phát từ sự thay đổi nhiệt độ của sản phẩm trước khi đóng bao mà bản chất của nó cần thiết phải xác định.
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm đóng bao sau khi ra khỏi tháp tạo hạt đến hệ số kết khối của urê hạt
Thí nghiệm 2:
- Sản phẩm urê hạt được sàng loại bỏ hạt to, hạt nhỏ và bụi để lấy mẫu hạt có kích thước 1,2-1,7 mm.
- Chia sản phẩm thành 5 phần để khảo sát độ kết khối với các phương án thí nghiệm khác nhau về thời điểm đóng bao sau khi sản phẩm ra khỏi tháp tạo hạt, mỗi phương án được lặp lại 5 lần để lấy kết quả trung bình:
+ Trong phương án 1, mẫu được dồn vào khuôn mẫu khảo sát ngay sau khi phân loại hạt;
+ Trong phương án 2, mẫu được dồn vào khuôn mẫu khảo sát vào thời điểm 1h sau khi phân loại hạt;
+ Trong phương án 3, mẫu được dồn vào khuôn mẫu khảo sát vào thời điểm 2h sau khi phân loại hạt;
+ Trong phương án 4, mẫu được dồn vào khuôn mẫu khảo sát vào thời điểm 3h sau khi phân loại hạt;
+ Trong phương án 5, mẫu được dồn vào khuôn mẫu khảo sát vào thời điểm 12h sau khi phân loại hạt;
- Các mẫu được khảo sát ở cùng một điều kiện như nhau về ứng suất nén (~ 0,5 kG/cm2), thời gian nén (120 h), nhiệt độ (~ 29 oC) và độ ẩm của môi trường bảo quản (~ 70%). Kết quả được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Lực kết khối của urê tại các thời điểm đóng bao khác nhau
Phương án thí nghiệm
Thời điểm đóng bao
Lực kết khối σ, kPa
TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 Trung bình Phương án 1 Ngay sau khi
tạo hạt 85,3 87,4 86,0 87,1 85,9 86,35 Phương án 2 1 giờ sau khi
tạo hạt 74,4 73,8 74,6 74,0 73,7 74,10 Phương án 3 3 giờ sau khi
tạo hạt 65,7 66,5 65,9 66,3 66,1 66,1 Phương án 4 4 giờ sau khi
tạo hạt 61,3 61,7 61,0 60,8 62,7 61.5 Phương án 5 12 giờ sau khi
tạo hạt 50,1 48,9 50,3 48,5 49,7 49,5 Nhận xét:
- Trong cùng một số điều kiện khảo sát tương đương nhau, urê mới tạo hạt xong có khả năng bị kết khối cao hơn so với urê đã qua bảo quản tự do một thời gian trước khi khảo sát. Số liệu thực nghiệm thu được này hoàn toàn đồng quan điểm với một số tác giả khác đã công bố trong các công trình [58, 61] và một số công trình khác song vẫn chưa đầy đủ để xác định nguyên nhân của hiện tượng kết khối urê trong trường hợp này một cách khoa học và trọn vẹn.
- Như vậy, chắc chắn rằng hiện tượng kết khối urê trong thí nghiệm 2 cũng liên quan đến một quá trình biến đổi cơ lý nào đó đã xảy ra bên trong và trên bề mặt hạt trong khoảng thời gian urê được bảo quản tự do kể từ lúc ra khỏi tháp tạo hạt đến khi thực hiện thao tác nén mẫu, chưa phải chịu tác động của ứng suất nén. Quá trình biến đổi này có thể là nguyên nhân trực tiếp của hiện tượng kết khối cần phải xác định.
3.1.1.3. Nghiên cứu sự thay đổi hình thái cấu trúc bề mặt hạt urê sau khi tạo hạt tại các thời điểm khác nhau
Thí nghiệm 3:
- Lấy ngẫu nhiên hai hạt urê trong mẫu lấy sau tháp tạo hạt để khảo sát tính chất lớp bề mặt hạt bằng phương pháp chụp SEM. Trước khi chuẩn bị mẫu khảo sát,, hạt được bảo quản trong túi PE cách ẩm.
Hình 3.1. Hình thái, cấu trúc lớp bề mặt hạt urê sau các thời gian bảo quản 1 h (a,c) và 72 h (b,d); độ phóng đại 100 lần
-
- Gắn mẫu hạt lên tấm kính tiêu bản bằng thủy tinh rồi xử lý tiếp theo quy trình chuẩn bị mẫu. Mẫu được chụp SEM sau các khoảng thời gian khác nhau: 1 h và 72 h kể từ thời điểm chuẩn bị xong mẫu, trên thiết bị kính hiển vi điện tử quét hiệu JEOL 5410 LV của Nhật.
Nhận xét:
- Ảnh SEM trên hình 3.1 cho thấy hình thái cấu trúc lớp bề mặt hạt có sự phát triển, hoàn thiện với các mức độ khác nhau rõ rệt sau các thời gian bảo quản khác nhau trong cùng điều kiện bảo quản kín, cách ly với không khí ẩm của môi trường:
+ Tại thời điểm 1h, bề mặt hạt đồng nhất hơn (hình 3.1a), trên lớp bề mặt hạt chưa xuất hiện các tinh thể thực với hình thái cấu trúc xác định nhưng lại có những khuyết tật không định dạng kèm theo các vết nứt nhỏ (hình 3.1c);
+ Tại thời điểm 72 h, bề mặt hạt không còn đồng nhất mà trở nên gồ ghề hơn (hình 3.1b), trên bề mặt xuất hiện các tinh thể có hình khối, cấu trúc khá rõ ràng (hình 3.1d). Sự thay đổi hình thái cấu trúc bề mặt hạt urê trong
trường hợp này không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài khác như nhiệt độ, độ ẩm của môi trường nên sự chắc chắn không liên quan đến các quá trình hút ẩm/hòa tan/tái kết tinh theo lý thuyết kết tinh đã trình bày trong mục 1.2.1.
- Như vậy, kết quả nghiên cứu định tính này cho phép ta xây dựng giả thiết cụ thể hơn về nguyên nhân của hiện tượng kết khối trong các thí nghiệm 1 và 2, khi urê hạt của Nhà máy Phân đạm Hà Bắc được đóng bao kín ngay sau khi tạo hạt, chưa trải qua quá trình hút ẩm/hoà tan/tái kết tinh. Nguyên nhân này có liên quan đến quá trình biến đổi xảy ra theo hướng hoàn thiện hình thái cấu trúc của các tinh thể lớp bề mặt hạt urê. Chính quá trình biến đổi vật lý này và các liên kết pha rắn mới tạo thành sau đó đã ảnh hưởng đến tính kết khối của urê trong trường hợp này mà không hề liên quan đến quá trình kết khối theo lý thuyết kết tinh.