Kỹ thuật sản xuất Amôniăc

Nội dung text: Kỹ thuật sản xuất Amôniăc

1. GIỚI THIỆU CHUNG AMÔNIĂC LÀ GÌ? Amôniăc là một chất khí không màu có mùi rất khó chịu. ➢ Thuật ngữ 'amôniăc' có nguồn gốc từ một liên kết hoá học có tên là 'clorua ammoni' được tìm thấy gần đền thờ thần Mộc tinh Ammon ở Ai Cập. ➢ Người đầu tiên chế ra amôniăc nguyên chất là nhà hoá học Dzozè Prisly.Ông đã thực hiện thành công thí nghiệm của mình vào năm 1774 và khi đó người ta gọi amôniăc là 'chất khí kiềm'.
2. GIỚI THIỆU CHUNG Tính chất vật lí N ➢Amôniăc là một chất không màu, mùi 0.102m khai và xốc, nhẹ hơn không khí (Khối lượng riêng D = 0,76g/l. 1070 H ➢Amôniăc hoá lỏng ở -340C và hoá rắn ở -780C. Trong số các khí, amôniăc tan H được nhiều nhất trong nước.1 lít nước ở 200C hoà tan được 800 lít NH . 3 H ➢Hiện tượng tan được nhiều giải thích do có tương tác giữa NH3 và H2O, là những chất đều có phân tử phân cực
3. GIỚI THIỆU CHUNG Tính chất hóa học N2 + H2 to + acid +H O + 2 - Muối NH4 NH + OH NH3 4 Oxi Hoá N2 + H2O N2 + HCl
4. ỨNG DỤNG CỦA NH3 Hợp chất của nitơ được ứng dụng rộng rải dể sản xuất thuốc thuốc nhuộm, chất dẻo, thuốc chữa bệnh.v.v ngoài ra hợp chất nitơ còn dùng để sản xuất chất cháy, chất nổ. Từ NH3 người ta diều chế axit HNO3 và phân đạm.
5. ỨNG DỤNG CỦA NH3 Làm phân bón ➢NH3 được xem như là thành phần của phân bón. NH3 có thể được bón trực tiếp lên ruộng đồng bằng cách trộn với nước tưới mà không cần thêm một quá trình hoá học nào. ➢ NH3 tác dụng với acid (HCl, HNO3 ) tạo muối là thành phần chính của phân bón hoá học. Amôni Sunphat là một loại phân bón tốt. Amôni Nitrat cũng được sử dụng như một loại phân bón và còn như một dạng thuốc nổ
6. ỨNG DỤNG CỦA NH3 Điều chế acid nitrit ➢Nguyên lý chung - Ðiều chế acid nitric bằng phương pháp oxi hóa khí amôniăc ,được tiến hành qua 2 giai đoạn: ❖ Oxi hóa amôniăc thành NO 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O xúc tác là hợp kim Pt - Rh (5 - 10% Rh) ❖ Ðiều chế acid nitric 2NO + O2 NO2 Hấp thụ NO2 bằng nước tạo thành acid nitric : 3NO2 + H2O 2HNO3 + NO
7. ỨNG DỤNG CỦA NH3 ➢Kỹ nghệ làm lạnh NH3 là chất thay thế CFCs, HFCs bởi vì chúng kém độc và ít bắt cháy ❖Trong phòng thí nghiệm và phân tích NH3 được xem như là hỗn hợp khí chuẩn cho việc kiểm soát phát thải môi trường, kiểm soát vệ sinh môi trường,các phương pháp phân tích dạng vết. ❖Kỹ nghệ điện tử NH3 được sử dụng trong công nghệ sản xuất chất bán dẫn và một số vật liệu cao cấp khác thông qua sự ngưng tụ silicon nitride (Si3N4) bằng phương pháp ngưng tự bốc hơi hoá học: Chemical Vapor Deposition (CVD)
8. ỨNG DỤNG CỦA NH3 Một số ứng dụng khác ➢NH4Cl được sử dụng trong công nghệ hàn, chế tạo thức ăn khô và trong y học ➢ Được sử dụng trong công nghiệp dầu khí, thuốc lá, và trong công nghệ sản xuất các chất gây nghiện bất hợp pháp.
9. ĐIỀU CHẾ NITO NI TƠ Từ khí quyển Trong công nghiệp PP hồ N2 + O2  2NO -179.2KJ quang Phân chia không khí Không Khí PP CaC2 + N2  CaCN2 + C Ni tơ xianamit +301,5 KJ Oxy PP Ar N + 3H  2NH + Q amoniac 2 2 3 Nhân N2 & H2
10. ĐIỀU CHẾ HIDRO Chuyển hóa mêtan Chuyển hóa oxit cacbon HIDRO Điện phân H O hay Phân chia khí cốc 2 NaCl
11. ➢Áp suất khí quyển hoặc áp suất cao. CH4 + H2O  CO + 3H2 – 206kJ CH4 + ½ O2  CO + 2H2 + 35kJ ➢Có sử dụng chất xúc tác (gọi là chuyển CO + H2O  CO2 +H2 +41 kJ hóa xúc tác) hoặc không dùng chất xúc tác (chuyển hóa ở nhiệt độ cao). CH4 + 2H2O  CO2 + 4H2 – 165 kJ ➢Có thể dùng các chất xúc tác Ni phủ lên oxit nhôm hay là phủ lên oxit mangan. Chuyển hóa mêtan có thể tích V tăng, nên khi tăng áp suất ➢Quá trình chuyển hóa không xúc tác thì nồng độ CH4 sẽ tăng lên trong hỗn nhiệt độ cao khí metan đượ thực hiện hợp khí, nhưng quá trình chuyển hóa vẫn theo phản ứng: diễn ra thuận lợi khi nâng áp suất vì tốc CH4 + ½ O2  CO + 2 H2 + 35 kJ độ phản ứng sẽ tăng lên. Thường tận ➢ Khi nhiệt độ ≈ 1250 0C. Khí nhận được dụng áp suất của khí tự nhiên nhằm tiết theo phương pháp này có chứa mồ hóng. kiệm điện năng để nén khí. Mồ hóng có thể rửa sạch bằng nước nóng khi áp suất cao.
12. ➢không kèm theo sự thay đổi thể tích nên ➢Khí thu được sau khi chuyển hóa metan khi tăng áp suất sẽ tăng tốc độ phản ứng chứa 20 – 40 % oxit cacbon. Tác dụng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất cân giữa CO và hơi nước tiến hành theo phản bằng H2. ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt: ➢Tăng hàm lượng hơi nước trong hỗn hợp khí thì quá trình chuyển hóa CO hoàn 0 CO + H2O CO + H2 + 36,6 kJ( 500 C ) toàn hơn. Chuyển hóa oxit cacbon ➢Khi tăng nhiệt độ sẽ chuyển dịch cân ➢Nhiệt độ tối ưu hạ xuống theo độ tăng bằng về phía trái (không mong muốn). mức chuyển hóa. Nhưng nhiệt độ thực Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp phản ứng xảy trong vùng xúc tác sẽ tăng lên nếu không ra chậm ngay cả khi có mặt chất xúc tác dẫn nhiệt ra ngoài. Để tránh điều mâu ➢phương pháp chuyển hóa xúc tác Sn – thuẫn này có thể chuyển hóa 2 bậc trong Cr – Cu (thiếc, crom, đồng) ở nhiệt độ thiết bị tầng với sự giảm nhiệt độ nhờ thấp. (200 – 3000C và lượng dư CO trong hiện tượng bay hơi nước giữ các tầng. khí ra khoảng 0,2 – 0,4% )
13. ➢Hấp thụ bằng các chất hấp phụ lỏng. ➢Hấp phụ các tạp chất bằng các chất hấp Phương pháp được dùng để làm sạch khỏi phụ rắn: phương pháp được dùng khi hàm CO2 và CO lượng tạp chất nhỏ. Làm Sạch Khí ➢Ngưng tụ tạp chất bằng cách làm sạch ➢Hydro hóa xúc tác, sau đó tách nước sâu sắc. Phương pháp này hiện nay được tạo thành. Phương pháp được sử dụng khi dùng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất acid HNO3. Tuy nhiên phương pháp tiêu hàm lượng CO2, CO và O2 trong khí chuyển hóa thấp. tốn nhiều năng lượng nên đang bị hạn chế dần.
14. ➢Khí tự nhiên thường chứa S dưới dạng sunfua hydro H2S, sunfua cacbon CS2, ➢Trước khi làm sạch, các hợp chất chứa lưu huỳnh – oxit cacbon COS, lưu huỳnh được hydro hóa đến sufua etymerkaptan C2H5SH. Các hợp chất này hydro H2S trên các chất xúc tác Co-Mo ở có hàm lượng chung khoảng 5 – 30 t = 350 – 450 0C. mg/m3. Làm sạch khỏi những hợp chất chứa S. ➢Sunfua hydro tạo thành sẽ hấp phụ ➢Phương trình phản ứng bằng bằng các chất hấp phụ rắn hay CS2 + 4H2  2H2S + CH4 RSH +H  H S + CH lỏng. 2 2 4 COS + 4 H2  H2 +CH4 + H2O
15. ➢Sau khi chuyển hóa CO trong khí còn chứ độ 17 – 30 % CO2 ➢Rửa etanolamin Khí CO2 có thể làm sạch bằng các chất CO2 + 2RNH2+ H2O  (RNH3)CO3 hấp phụ lỏng: nước, etanolamin, các dung CO2+(RNH3)CO3 + H2O  2RNH3HCO3 dịch kiềm Làm sạch khí quyển chuyển hóa khỏi CO2 ➢Một số chất khác cũng hấp phụ ➢Rửa bẳng các dung dịch nóng bồ tạt 6 6 CO như các hợp chất hữu cơ : dược tiến hành dưới áp suất 1.10 – 2.10 2 0 0 metanol,propilen cacbonat, N ở t =110 – 120 C thường dùng dung dịch 25% K CO được kích hoạt bẳng sunfotan 2 3 asen (As2O3)
16. ➢Hấp phụ bẳng dung dịch amiac - đồng ➢Rửa khí bằng nitơ hóa lỏng ➢Rửa bằng dung dịch amoniac – Hydro hóa xúc tác (khi hàm lượng co thấp). đồng p =(1 – 3 ).107n/m2 , t = 0 – Ngưng tụ tạp chất bằng phương 250c(nhiệt độ thấp hơn dễ xảy pháp làm lạnh sâu ra hiện tượng kết tinh dung dịch) . Thường sử dụng dung Làm sạch dịch đồng – amniac của các khí khỏi CO Biện pháp ngưng tụ phân đoạn aicd yếu : axetic (axetat) bằng cách làm lạnh sạu dùng để cacbonic (cacbonat) và phân chia khí cốc hóa là một hỗn muravic hợp có thành phần phức tạp Phương pháp hyro hóa Xúc tác niken (phủ lên oxit Biện pháp ngưng tụ phân đoạn nhôm ) ở t= 200 – 4000c bằng cách làm lạnh sạu dùng để phân chia khí cốc hóa là một hỗn hợp có thành phần phức tạp CO + 3H2  CH4 + H2O CO2 +4 H2  CH4 + 2H2O
17. N2 +3H2  2NH3 + Q ➢phản ứng giảm thể tích. Theo Le – Giá trị hiệu ứng nhiệt ở 5000C ứng với Shatelia thì P tăng , cân bằng sẽ sang phải , các giá tri áp suất khác nhau thì sẽ có giá tốc độ cũng tăng lên nhiều nên lượng Q trị khác nhau tỏa ra lớn Cơ sở lý thuyết tổng hợp NH3 Để chuyển cân bằng về phía tạo NH3 cần ➢Quá trình tổng hợp NH3 có thể sử dụng phải có áp suất cao và nhiệt độ thấp. Tuy các chất xúc tác như: Fe(chứa 3 kích hoạt nhiên ở nhiệt độ cao thì tốc độ phản ứng là Al O , K O, CaO), Pt, Oc, Mg,W ,U, 2 3 2 tổng hợp NH3 xảy ra chậm nếu như Rh không sử dụng xúc tác
18. Khuếch tán N2và H2 từ dòng khí đến bề mặt hạt xúc tác và trong mao quản của ➢Hấp phụ hóa học khí lên chất xúc tác hạt Động học quá trình tổng hợp NH3 Tác dụng giữa N2và H2 trên bề mặt xúc tác . Lúc đó N2 thu điện tử xúc tác , còn ➢Giải hấp phụ (nhả hấp phụ) NH3 và hyro cho xúc tác điện tử của mình để bù khuyếch tán vào thể tích pha khí đắp sự tổn thất điện tử xúc tác . Kết quả là lần lượt tạo thành những hợp chất hóa học bề mặt :imit NH,amit NH2, và amiac NH3
19. ➢Mức độ cao hỗn hợp khí vào H2 – N2 để ➢Nhiệt độ tối ưu của quá trình theo chiều tẩy sạch các chất độc và xúc tác trơ dài của vùng xúc tác giữ tỷ lệ N2/H2≈ 1/3 Thiếi bị tổng hợp NH3 ➢Hoàn thiện cơ cấu của thiết bị tiếp xúc ➢Giảm hàm lượng NH3 ở cửa vào thiếi bị tiếp xúc
20. Phụ thuộc vào áp suất chia thành các hệ: 6 6 3 Trong công nghiệp sản xuất NH3,thường + áp suất thấp 1.10 ÷ 15.10 N/m . dùng áp suất từ 1.107 đến 1.108N/m2. + áp suất trung bình (25÷60).106 N/m3. +áp suất cao (60÷100) .106 N/m3. Phương pháp công nghiệp để tổng hợp NH3 Hệ áp suất trung bình Đây là hệ được áp dụng rộng rãi nhất bởi vì trong những điều kiện này có thể giải quyết thành công các vấn đề tách NH3 với tốc độ quá trình đủ lớn trong thiết bị tiếp xúc.
21. Sơ đồ công nghệ tổng hợp Amoniac dưới áp xuất thấp
22. ❖Sự phụ thuộc hàm lượng NH3 trong hỗn hợp N2,H2 hồi lưu vào nhiệt độ và áp suất đưa ra trên hình sau: ❖Qua hình vẽ ta thấy : nếu áp suất tăng, nhiệt độ giảm thì lượng NH3 trong hỗn hợp hồi lưu giảm, tức độ chuyển hóa cân bằng ở thấp tổng hợp (2) tăng. ❖Hàm lượng NH3 cũng có thể tính bằng công thức thục nghiệm sau: Ở đây, C’-hàm lượng NH3 trong hỗn hợp khí N2,H2 tính % thể tích.
23. THÁP TỔNG HỢP NH3 Hình 55 : Tháp tổng hợp NH3 dưới áp suất trung bình 1. Nấp đậy 2. Thân Tháp 3. Hộp xúc tác 4. Các ống trao đổi nhiệt 5. Lớp cách nhiệt 6. Ghi lò 7. Ống trung tâm 8. Bộ phận trao đổi nhiệt
24. Năng suất của tháp tổng hợp NH3 được tính: Ở đây: G – năng suất tháp, kg/h V – vận tốc thể tích khí, m3/s V – thể tích xúc tác, m3 C1 – nồng độ NH3 trong hỗn hợp N2,H2 ở cửa vào,% C2 - nồng độ NH3 ở của ra,% 3 0.771 – tỉ trọng của NH3, kg/ m Thời gian làm việc của lớp xúc tác phụ thuộc vào mức độ làm sạch không khí, thông thường là gần 2 năm
25. Sơ đồ công nghệ hiện đại tổng hợp Amoniac
26. Phương hướng phát triển công nghiệp NH3 Tăng công suất của dây chuyền. công suất liên tục tăng: ❖50÷60 tấn/ngày 1955 ❖100 tấn/ngày 1960 ❖1000 tấn/ngày 1970 ❖1500 tấn/ngày1977 ❖3000 tấn/ngày hiện nay. Vấn đề đặc ra là phải chế tạo được những thiết bị có năng suất cao hơn. Trên thực tế người ta đang quan tam đến là tâng sôi. Trong lò tầng sôi diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chất xúc tác với khí sẽ tăng lên, cải thiện chế độ nhiệt của xúc tác và như vậy sẽ cường hóa quá trình. Điện năng tiêu tốn nhiều (1250 kWh/tấn NH3 trong dây chuyền áp suất trung bình) chủ yếu dùng vào việc nén khí. Vì vậy có hướng dùng áp suất thấp , nhưng áp suất thấp thì mức chuyển hóa cân bằng giảm và phải dùng nhiệt độ thấp, mà nhiệt độ thấp thì tốc độ chậm, thậm chí có thể phản ứng không tiến hành được, vỉ vậy phải tìm chất xúc tác có khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp nhưng cho hiệu quả cao và ít bị ngộ độc.
27. TÀI LIỆU THAM KHẢO ➢ ➢Kỹ thuật hóa học đại cương _ TS. Nguyễn Thị Diệu Vân ➢ ➢