Tóm tắt Giáo trình Công nghệ Sản xuất Phân bón Vô cơ của NXB Bách khoa Hà nội
Tài liệu này tổng hợp các chủ đề và ý tưởng cốt lõi từ giáo trình "Công nghệ sản xuất phân bón vô cơ" của La Văn Bình và Trần Thị Hiền. Giáo trình tập trung vào việc cung cấp cơ sở lý thuyết và giới thiệu các sơ đồ công nghệ sản xuất một số loại phân bón vô cơ phổ biến. Các loại phân bón chính được đề cập bao gồm phân đạm (Urê, Amôni sunphat), phân lân (Supe phốt phát đơn, Supe phốt phát kép, phân lân nung chảy) và phân bón phức hợp, hỗn hợp (NPK, Amophot).
Các nguyên tắc sản xuất cơ bản được phân tích chi tiết, bao gồm các quá trình chế biến nhiệt (nung, thiêu kết), quá trình hóa học (trích ly bằng axit, trung hòa) và các quá trình vật lý (kết tinh, tạo hạt). Tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của nguyên liệu đầu vào, đặc biệt là quặng apatit, photphorit, amôniắc (NH₃) và cacbon điôxít (CO₂). Hiệu quả của mỗi quy trình công nghệ phụ thuộc chặt chẽ vào việc kiểm soát các thông số vận hành như nhiệt độ, áp suất, nồng độ, tỷ lệ các chất phản ứng và thời gian lưu. Các công nghệ sản xuất tiên tiến, bao gồm các phương pháp tuần hoàn và không tuần hoàn, được giới thiệu nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển hóa và giảm tiêu thụ năng lượng.
1. Những vấn đề chung về Phân bón Vô cơ
1.1. Khái niệm, Vai trò và Phân loại
• Vai trò: Phân bón cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng, chủ yếu là Nitơ (N), Phốtpho (P), và Kali (K), nhằm tăng khả năng chịu đựng của cây trồng trước biến đổi thời tiết, tăng năng suất và chất lượng nông sản.
• Phân loại: Phân bón được phân loại theo nhiều cách khác nhau:
◦ Theo nguồn gốc: Phân hữu cơ (phân chuồng, phân xanh) và Phân vô cơ (phân khoáng, phân hóa học).
◦ Theo chất dinh dưỡng:
▪ Phân đơn: Chứa một nguyên tố dinh dưỡng chính (ví dụ: đạm, urê, supe phốt phát).
▪ Phân kép và Phân hỗn hợp: Chứa từ hai nguyên tố dinh dưỡng trở lên.
▪ Phân vi lượng: Chứa các nguyên tố vi lượng (B, Mn, Cu, Zn) cần thiết với lượng rất nhỏ để kích thích sự phát triển của thực vật.
• Yêu cầu đối với phân khoáng: Phân khoáng cần đảm bảo cung cấp chất dinh dưỡng cho cây, không hút ẩm hoặc ít hút ẩm, và ít tốn kém khi sử dụng. Để đánh giá tính tan, phân lân được chia thành các loại: tan trong nước, tan trong amôni xitrat, và loại chậm tan.
1.2. Các quá trình chủ yếu trong sản xuất phân khoáng
Công nghệ sản xuất phân bón vô cơ bao gồm ba quá trình chính:
1. Quá trình chế biến nhiệt: Là quá trình nung, sấy nguyên liệu và chế biến ở nhiệt độ thích hợp để chuyển hóa các hợp chất hóa học của nguyên liệu. Các dạng chính bao gồm:
◦ Nung khô: Nung để nhiệt phân tách khí CO₂ và nước liên kết.
◦ Nung ôxy hoá: Dùng nhiệt và không khí để biến đổi phối liệu.
◦ Nung khử: Ngược lại với nung ôxy hoá, sử dụng tác nhân khử ở nhiệt độ thích hợp.
2. Quá trình hòa tan, tách tan và kết tinh:
◦ Hòa tan: Phá hủy mạng tinh thể hạt rắn để chuyển chúng vào dung dịch, có thể là hòa tan vật lý (muối trong nước) hoặc hòa tan hóa học (quặng trong axit).
◦ Tách tan: Tách một hoặc nhiều cấu tử ra khỏi hỗn hợp bằng dung môi lỏng chọn lọc.
◦ Kết tinh: Quá trình hình thành pha rắn mới từ dung dịch quá bão hoà, gồm các bước tạo mầm và phát triển mầm.
3. Quá trình kết khối: Là quá trình quan trọng trong sản xuất phân bón, xi măng. Sự kết khối phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu, độ ẩm, nhiệt độ và bản chất vật liệu. Các biện pháp chống kết khối bao gồm: sấy khô, bảo quản trong kho kín, sử dụng bao bì kín, hoặc trộn thêm các nguyên liệu chống kết khối.
2. Công nghệ Sản xuất Hợp chất Phốtpho và Axit Photphoric
2.1. Nguyên liệu chính
• Apatit: Là khoáng vật chính, có công thức tổng quát là Ca₁₀R₂(PO₄)₆. Quặng apatit khai thác thường có thành phần đa dạng, dao động như sau:
◦ CaO: 43%
◦ P₂O₅: 31 ÷ 33%
◦ Fe₂O₃: 1,7 ÷ 2,0%
◦ Al₂O₃: 2,0 ÷ 2,2%
◦ SiO₂: 2,5 ÷ 3,0%
• Photphorit: Là khoáng trầm tích do kết tủa canxi photphat từ nước biển, thường chứa 26-30% P₂O₅. Các tạp chất như Fe và Al gây khó khăn cho chế biến.
2.2. Công nghệ Sản xuất Axit Photphoric (H₃PO₄)
Axit photphoric là sản phẩm trung gian quan trọng để sản xuất phân lân và nhiều hóa chất khác. Có hai phương pháp sản xuất chính:
• Phương pháp nhiệt:
◦ Nguyên lý: Đốt phốtpho vàng (P) để tạo thành P₄O₁₀, sau đó hydrat hóa để tạo H₃PO₄.
◦ Phân loại: Gồm phương pháp 1 cấp (liên tục) và 2 cấp. Phương pháp 2 cấp phổ biến hơn do cho phép sản xuất axit photphoric tinh khiết và đồng thời có thể chế tạo phốtpho vàng.
◦ Ưu điểm: Sản phẩm có độ tinh khiết cao.
◦ Nhược điểm: Chi phí thiết bị cao, tốn nhiều năng lượng.
• Phương pháp trích ly (Phương pháp ướt):
◦ Nguyên lý: Phân giải quặng photphat (apatit, photphorit) bằng axit mạnh, phổ biến nhất là axit sunfuric (H₂SO₄). Ca₅F(PO₄)₃ + 5H₂SO₄ + nH₂O → 3H₃PO₄ + 5CaSO₄·nH₂O + HF
◦ Đặc điểm: Đây là phương pháp phổ biến nhất trong công nghiệp. Chất lượng sản phẩm và hiệu quả quá trình phụ thuộc vào chất lượng quặng, nồng độ axit, nhiệt độ và các yếu tố công nghệ khác. Sản phẩm phụ là thạch cao (CaSO₄·nH₂O), có thể tồn tại ở các dạng dihydrat, hemihydrat, hoặc anhydrit tùy thuộc vào điều kiện công nghệ.
◦ Công nghệ: Có nhiều dây chuyền khác nhau như phương pháp dihydrat (sản phẩm H₃PO₄ 28-32% P₂O₅), hemihydrat, và anhydrit. Việc lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào yêu cầu về nồng độ axit thành phẩm và chất lượng quặng.
◦ Ảnh hưởng của tạp chất: Các tạp chất trong quặng như Fe₂O₃, Al₂O₃, MgO, SiO₂ gây ra các phản ứng phụ, làm giảm hiệu suất, tiêu hao axit và gây ăn mòn thiết bị.
3. Công nghệ Sản xuất Phân Lân
3.1. Supe Phốt phát
• Supe phốt phát đơn (SSP):
◦ Đặc điểm: Chứa P₂O₅ hữu hiệu ở dạng hòa tan trong nước là chủ yếu (Ca(H₂PO₄)₂), với tổng hàm lượng P₂O₅ hữu hiệu khoảng 19%.
◦ Sản xuất: Phân hủy quặng apatit bằng axit sunfuric. Quá trình gồm 2 giai đoạn chính:
1. Giai đoạn 1 (Phản ứng): Trộn axit và quặng trong thùng trộn. Phản ứng xảy ra nhanh (20-40 phút), tạo ra hỗn hợp nhão.
2. Giai đoạn 2 (Ủ): Hỗn hợp được chuyển vào phòng hóa thành (buồng ủ) để tiếp tục quá trình phân hủy và làm sản phẩm rắn lại, tơi xốp.
◦ Các yếu tố ảnh hưởng: Nồng độ axit H₂SO₄, nhiệt độ, thời gian lưu, và thành phần tạp chất trong quặng.
• Supe phốt phát kép (DSP/TSP):
◦ Đặc điểm: Hàm lượng P₂O₅ hữu hiệu cao hơn nhiều so với SSP (45-50%), không chứa CaSO₄.
◦ Sản xuất: Phân hủy quặng phốt phát bằng axit photphoric (thay vì axit sunfuric). Ca₅F(PO₄)₃ + 7H₃PO₄ + 5H₂O → 5Ca(H₂PO₄)₂·H₂O + HF
◦ Ưu điểm: Hàm lượng dinh dưỡng cao, giảm chi phí vận chuyển, bảo quản.
◦ Nhược điểm: Chi phí sản xuất ban đầu cao hơn.
3.2. Phân lân nung chảy (FMP)
• Nguyên lý: Nung chảy quặng phốt phát tự nhiên (apatit) với các chất kiềm (serpentin, đá vôi) và than đá ở nhiệt độ cao (1250 - 1350 °C). Hỗn hợp nóng chảy được làm lạnh nhanh bằng nước áp lực cao.
• Đặc điểm sản phẩm:
◦ P₂O₅ không tan trong nước nhưng tan trong axit xitric 2%, cây trồng dễ hấp thụ.
◦ Có tính kiềm, không hút ẩm, không kết khối, thích hợp cho đất chua.
◦ Chứa 25-30% P₂O₅ hữu hiệu.
• Nguyên liệu: Apatit, Secpentin (cung cấp MgO, SiO₂), Sa thạch, Quặng bãnh, và than antraxit. Ở Việt Nam, người ta thường dùng hỗn hợp apatit và secpentin.
4. Công nghệ Sản xuất Phân Đạm
4.1. Amôni Sunphat ((NH₄)₂SO₄)
• Đặc điểm: Là loại phân bón chứa 21,1% N, màu trắng, ít hút ẩm, dễ sử dụng.
• Sản xuất: Chủ yếu dựa trên phản ứng trung hòa axit sunfuric bằng amôniắc. 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ + Q
• Phương pháp:
◦ Phương pháp ướt (bão hoà): Tiến hành trung hòa trong thiết bị bão hòa, sản phẩm được tách ra dưới dạng tinh thể.
◦ Phương pháp khô: Cho axit H₂SO₄ bay hơi và tiếp xúc với khí amôniắc.
4.2. Urê (CO(NH₂)₂)
• Đặc điểm: Là loại phân bón giàu đạm nhất (46,8% N), không chứa chất vô ích, dạng tinh thể không màu, không mùi.
• Sản xuất: Tổng hợp từ amôniắc lỏng (NH₃) và khí cacbonic (CO₂) ở áp suất và nhiệt độ cao.
◦ Cơ chế phản ứng:
1. 2NH₃ + CO₂ ↔ NH₂COONH₄
(tạo cacbamat amôni, tỏa nhiệt)
2. NH₂COONH₄ ↔ (NH₂)₂CO + H₂O
(phân hủy cacbamat tạo urê, thu nhiệt)
• Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng:
◦ Nhiệt độ và áp suất: Cần áp suất cao (200-300 atm) và nhiệt độ cao (180-200°C) để tăng hiệu suất.
◦ Tỷ lệ NH₃/CO₂: Tỷ lệ NH₃ dư làm tăng hiệu suất tạo urê.
◦ Hàm lượng H₂O: Nước làm giảm hiệu suất, cần hạn chế.
• Công nghệ tổng hợp:
◦ Không tuần hoàn: Khí chưa phản ứng được thải bỏ hoặc dùng sản xuất sản phẩm khác. Hiệu suất thấp.
◦ Tuần hoàn một phần hoặc toàn bộ: Khí và dung dịch chưa phản ứng được tách ra và tuần hoàn lại tháp tổng hợp. Các công nghệ hiện đại (Stamicarbon, Toe-Koaxu, Montecatini) đều là các biến thể của phương pháp tuần hoàn, giúp nâng cao hiệu suất chuyển hóa và giảm tiêu hao nguyên liệu.
5. Phân bón Phức hợp, Hỗn hợp và Vi lượng
5.1. Phân bón Phức hợp (Amophot)
• Định nghĩa: Là các muối đồng nhất chứa hai hoặc ba nguyên tố dinh dưỡng, phổ biến là Amôni photphat.
• Các loại chính:
◦ Monoamôni photphat (MAP): NH₄H₂PO₄
◦ Điamôni photphat (DAP): (NH₄)₂HPO₄
• Sản xuất: Trung hòa axit photphoric bằng amôniắc lỏng. Tùy thuộc vào mức độ trung hòa sẽ thu được MAP, DAP hoặc hỗn hợp của chúng. Dây chuyền sản xuất MAP và DAP tương tự nhau, khác ở mức độ trung hòa H₃PO₄.
5.2. Phân bón Hỗn hợp (NPK)
• Định nghĩa: Là sản phẩm trộn cơ học các loại phân đơn với nhau theo một tỷ lệ N:P₂O₅:K₂O nhất định.
• Nguyên liệu: Các loại phân đơn như (NH₄)₂SO₄, urê, supe phốt phát, amophot, và các muối kali (KCl, K₂SO₄).
• Công nghệ sản xuất: Gồm các bước chuẩn bị nguyên liệu, định lượng, trộn sơ bộ, tạo hạt (phổ biến nhất là vê viên hoặc trộn thùng quay), sấy, làm nguội, sàng phân loại và đóng bao.
5.3. Phân bón Vi lượng
• Vai trò: Các nguyên tố vi lượng (Mn, Fe, Zn, B, Cu, Mo...) đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh hóa, trao đổi chất của cây, giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.
• Sử dụng: Có thể được đưa vào phân bón dưới dạng các muối sunphat, clorua, nitrat... hoặc trộn trực tiếp vào phân bón NPK. Việc bổ sung vi lượng làm tăng hiệu quả của phân bón đa lượng, đặc biệt trên các loại đất thiếu vi lượng.
Link down load tiếng Việt: https://drive.google.com/file/d/1PQLBtOHHR8u8pfNUmzZ324yme4gXBbW8/view?usp=sharing