Kỹ thuật sản xuất Amoniac

LOGO LOGO GI I THI U CHUNGỚ Ệ AMÔNIĂC LÀ GÌ? Amôniăc là m t ch t khí không màu có ộ ấ mùi r t khó ch u. ấ ị Thu t ng 'amôniăc' có ngu n g c t m t ậ ữ ồ ố ừ ộ liên k t hoá h c có tên là 'clorua ammoni' đ c ế ọ ượ tìm th y g n đ n th th n M c tinh Ammon ấ ầ ề ờ ầ ộ ở Ai C p.ậ Ng i đ u tiên ch ra amôniăc nguyên ch t ườ ầ ế ấ là nhà hoá h c Dzozè Prisly.Ông đã th c hi n ọ ự ệ thành công thí nghi m c a mình vào năm 1774 ệ ủ và khi đó ng i ta g i amôniăc là 'ch t khí ườ ọ ấ ki m'. ề GI I THI U CHUNGỚ Ệ Tính ch t v t líấ ậ Amôniăc là m t ch t không màu, mùi ộ ấ khai và x c, nh h n không khí (Kh i ố ẹ ơ ố l ng riêng D = 0,76g/l.ượ Amôniăc hoá l ng -34ỏ ở 0C và hoá r n ắ -78ở 0C. Trong s các khí, amôniăc tan ố đ c nhi u nh t trong n c.1 lít n c ượ ề ấ ướ ướ 200C hoà tan đ c 800 lít NHở ượ 3. Hi n t ng tan đ c nhi u gi i thích ệ ượ ượ ề ả do có t ng tác gi a NHươ ữ 3 và H2O, là nh ng ch t đ u có phân t phân c cữ ấ ề ử ự H H H 0.102m 1070 N GI I THI U CHUNGỚ Ệ Tính ch t hóa h cấ ọ NH3 N2 + H2 N2 + H2O Mu i NHố 4+ NH4 + OH - N2 + HCl to + acid +H2O Oxi Hoá LOGO NG D NG C A NHỨ Ụ Ủ 3 H p ch t c a nit đ c ng ợ ấ ủ ơ ượ ứ d ng r ng r i d s n xu t ụ ộ ả ể ả ấ thu c thu c nhu m, ch t ố ố ộ ấ d o, thu c ch a b nh.v.v... ẻ ố ữ ệ ngoài ra h p ch t nit còn ợ ấ ơ dùng đ s n xu t ch t cháy, ể ả ấ ấ ch t n . T NHấ ổ ừ 3 ng i ta ườ di u ch axit HNOề ế 3 và phân đ m.ạ NG D NG C A NHỨ Ụ Ủ 3 Làm phân bón NH3 đ c xem nh là thành ph n c a ượ ư ầ ủ phân bón. NH3 có th đ c bón tr c ể ượ ự ti p lên ru ng đ ng b ng cách tr n v i ế ộ ồ ằ ộ ớ n c t i mà không c n thêm m t quá ướ ướ ầ ộ trình hoá h c nào.ọ  NH3 tác d ng v i acid (HCl, HNOụ ớ 3 …) t o mu i là thành ph n chính c a ạ ố ầ ủ phân bón hoá h c. Amôni Sunphat là m t ọ ộ lo i phân bón t t. Amôni Nitrat cũng ạ ố đ c s d ng nh m t lo i phân bón và ượ ử ụ ư ộ ạ còn nh m t d ng thu c n ư ộ ạ ố ổ NG D NG C A NHỨ Ụ Ủ 3 Đi u ch acid nitritề ế Nguyên lý chung - Ði u ch acid nitric b ng ph ng pháp ề ế ằ ươ oxi hóa khí amôniăc ,đ c ti n hành qua 2 ượ ế giai đo n: ạ  Oxi hóa amôniăc thành NO 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O xúc tác là h p kim Pt - Rh (5 - 10% Rh)ợ  Ði u ch acid nitric ề ế 2NO + O2 ⇔ NO2 H p th NOấ ụ 2 b ng n c t o thành acid ằ ướ ạ nitric : 3NO2 + H2O ⇔ 2HNO3 + NO NG D NG C A NHỨ Ụ Ủ 3 K ngh làm l nh ỹ ệ ạ NH3 là ch t thay th CFCs, HFCs b i vì ấ ế ở chúng kém đ c và ít b t cháy ộ ắ Trong phòng thí nghi m và phân tích ệ NH3 đ c xem nh là h n h p khí chu n ượ ư ỗ ợ ẩ cho vi c ki m soát phát th i môi tr ng, ệ ể ả ườ ki m soát v sinh môi tr ng,các ph ng ể ệ ườ ươ pháp phân tích d ng v t.ạ ế K ngh đi n t ỹ ệ ệ ử NH3 đ c s d ng trong công ngh s n ượ ử ụ ệ ả xu t ch t bán d n và m t s v t li u cao c p ấ ấ ẫ ộ ố ậ ệ ấ khác thông qua s ng ng t silicon nitride ự ư ụ (Si3N4) b ng ph ng pháp ng ng t b c h i ằ ươ ư ự ố ơ hoá h c: Chemical Vapor Deposition (CVD)ọ NG D NG C A NHỨ Ụ Ủ 3 M t s ng d ng khácộ ố ứ ụ NH4Cl đ c s d ng trong công ượ ử ụ ngh hàn, ch t o th c ăn khô và trong ệ ế ạ ứ y h c…ọ  Đ c s d ng trong công nghi p ượ ử ụ ệ d u khí, thu c lá, và trong công ngh ầ ố ệ s n xu t các ch t gây nghi n b t h p ả ấ ấ ệ ấ ợ pháp. LOGO ĐI U CH NITOỀ Ế NI TƠ T khí quy nừ ể Trong công nghi pệ PP h ồ quang PP xianamit PP amoniac Phân chia không khí Nhân N2 & H2 N2 + O2  2NO -179.2KJ CaC2 + N2  CaCN2 + C +301,5 KJ N2 + 3H2  2NH3 + Q ĐI U CH HIDROỀ Ế HIDRO Chuy n hóa mêtanể Chuy n hóa oxit cacbonể Phân chia khí c cố Đi n phân Hệ 2O hay NaCl Chuy n hóa mêtanể CH4 + H2O  CO + 3H2 – 206kJ CH4 + ½ O2  CO + 2H2 + 35kJ CO + H2O  CO2 +H2 +41 kJ CH4 + 2H2O  CO2 + 4H2 – 165 kJ Áp su t khí quy n ho c áp su t cao.ấ ể ặ ấ Có s d ng ch t xúc tác (g i là ử ụ ấ ọ chuy n hóa xúc tác) ho c không dùng ể ặ ch t xúc tác (chuy n hóa nhi t đ ấ ể ở ệ ộ cao). Có th dùng các ch t xúc tác Ni ph ể ấ ủ lên oxit nhôm hay là ph lên oxit ủ mangan. có th tích V tăng, nên khi tăng áp su t ể ấ thì n ng đ CHồ ộ 4 s tăng lên trong h n ẽ ỗ h p khí, nh ng quá trình chuy n hóa ợ ư ể v n di n ra thu n l i khi nâng áp su t vì ẫ ễ ậ ợ ấ t c đ ph n ng s tăng lên. Th ng ố ộ ả ứ ẽ ườ t n d ng áp su t c a khí t nhiên nh m ậ ụ ấ ủ ự ằ ti t ki m đi n năng đ nén khí. ế ệ ệ ể Quá trình chuy n hóa không xúc tác ể nhi t đ cao khí metan đ th c hi n ệ ộ ượ ự ệ theo ph n ng: ả ứ CH4 + ½ O2  CO + 2 H2 + 35 kJ  Khi nhi t đ ≈ 1250 ệ ộ 0C. Khí nh n ậ đ c theo ph ng pháp này có ch a m ượ ươ ứ ồ hóng. M hóng có th r a s ch b ng ồ ể ử ạ ằ n c nóng khi áp su t cao.ướ ấ Chuy n hóa oxit cacbonể Khí thu đ c sau khi chuy n hóa ượ ể metan ch a 20 – 40 % oxit cacbon. Tác ứ d ng gi a CO và h i n c ti n hành ụ ữ ơ ướ ế theo ph n ng thu n ngh ch, t a nhi t:ả ứ ậ ị ỏ ệ CO + H2O CO + H2 + 36,6 kJ( 5000C ) không kèm theo s thay đ i th tích ự ổ ể nên khi tăng áp su t s tăng t c đ ph n ấ ẽ ố ộ ả ng mà không nh h ng đ n hi u su t ứ ả ưở ế ệ ấ cân b ng Hằ 2. Tăng hàm l ng h i n c trong h n ượ ơ ướ ỗ h p khí thì quá trình chuy n hóa CO ợ ể hoàn toàn h n. ơ Nhi t đ t i u h xu ng theo đ ệ ộ ố ư ạ ố ộ tăng m c chuy n hóa. Nh ng nhi t đ ứ ể ư ệ ộ th c trong vùng xúc tác s tăng lên n u ự ẽ ế không d n nhi t ra ngoài. Đ tránh đi u ẫ ệ ể ề mâu thu n này có th chuy n hóa 2 b c ẫ ể ể ậ trong thi t b t ng v i s gi m nhi t đ ế ị ầ ớ ự ả ệ ộ nh hi n t ng bay h i n c gi các ờ ệ ượ ơ ướ ữ t ng.ầ Khi tăng nhi t đ s chuy n d ch cân ệ ộ ẽ ể ị b ng v phía trái (không mong mu n). ằ ề ố Tuy nhiên nhi t đ th p ph n ng ở ệ ộ ấ ả ứ x y ra ch m ngay c khi có m t ch t ả ậ ả ặ ấ xúc tác ph ng pháp chuy n hóa xúc tác Sn – ươ ể Cr – Cu (thi c, crom, đ ng) nhi t đ ế ồ ở ệ ộ th p. (200 – 300ấ 0C và l ng d CO ượ ư trong khí ra kho ng 0,2 – 0,4% )ả Làm S ch Khíạ H p th b ng các ch t h p ph l ng. ấ ụ ằ ấ ấ ụ ỏ Ph ng pháp đ c dùng đ làm s ch ươ ượ ể ạ kh i COỏ 2 và CO H p ph các t p ch t b ng các ch t ấ ụ ạ ấ ằ ấ h p ph r n: ph ng pháp đ c dùng ấ ụ ắ ươ ượ khi hàm l ng t p ch t nh . ượ ạ ấ ỏ Hydro hóa xúc tác, sau đó tách n c ướ t o thành. Ph ng pháp đ c s d ng ạ ươ ượ ử ụ khi hàm l ng COượ 2, CO và O2 trong khí chuy n hóa th p. ể ấ Ng ng t t p ch t b ng cách làm ư ụ ạ ấ ằ s ch sâu s c. Ph ng pháp này hi n nay ạ ắ ươ ệ đ c dùng r ng rãi trong công nghi p ượ ộ ệ s n xu t acid HNOả ấ 3. Tuy nhiên ph ng ươ pháp tiêu t n nhi u năng l ng nên đang ố ề ượ b h n ch d n.ị ạ ế ầ Làm s ch kh i nh ng h p ch t ch a S.ạ ỏ ữ ợ ấ ứ Khí t nhiên th ng ch a S d i ự ườ ứ ướ d ng sunfua hydro Hạ 2S, sunfua cacbon CS2, l u huỳnh – oxit cacbon COS, ư etymerkaptan C2H5SH. Các h p ch t này ợ ấ có hàm l ng chung kho ng 5 – 30 ượ ả mg/m3. Tr c khi làm s ch, các h p ch t ướ ạ ợ ấ ch a l u huỳnh đ c hydro hóa đ n ứ ư ượ ế sufua hydro H2S trên các ch t xúc tác ấ Co-Mo t = 350 – 450 ở 0C. Ph ng trình ph n ng ươ ả ứ CS2 + 4H2  2H2S + CH4 RSH +H2  H2S + CH4 COS + 4 H2  H2 +CH4 + H2O Sunfua hydro t o thành s h p ạ ẽ ấ ph b ng b ng các ch t h p ph ụ ằ ằ ấ ấ ụ r n hay l ng.ắ ỏ Làm s ch khí quy n chuy n hóa kh i COạ ể ể ỏ 2 Sau khi chuy n hóa CO trong khí còn ể ch đ 17 – 30 % COứ ộ 2 Khí CO2 có th làm s ch b ng các ch t ể ạ ằ ấ h p ph l ng: n c, etanolamin, các ấ ụ ỏ ướ dung d ch ki m...ị ề R a etanolaminử CO2 + 2RNH2+ H2O  (RNH3)CO3 CO2+(RNH3)CO3 + H2O  2RNH3HCO3 R a b ng các dung d ch nóng b t t ử ẳ ị ồ ạ d c ti n hành d i áp su t 1.10ượ ế ướ ấ 6 – 2.106 N tở 0 =110 – 1200C th ng dùng ườ dung d ch 25% Kị 2CO3 đ c kích ho t ượ ạ b ng asen (Asẳ 2O3) M t s ch t khác cũng h p ph ộ ố ấ ấ ụ CO2 nh các h p ch t h u c : ư ợ ấ ữ ơ metanol,propilen cacbonat, sunfotan... Làm s ch khí ạ kh i COỏ H p ph b ng dung d ch amiac - ấ ụ ẳ ị đ ngồ R a khí b ng nit hóa l ng ử ằ ơ ỏ Hydro hóa xúc tác (khi hàm l ng co th p).ượ ấR a b ng dung d ch amoniac – ử ằ ị đ ng ồ p =(1 – 3 ).107n/m2 , t = 0 – 250c(nhi t đ th p h n d ệ ộ ấ ơ ễ x y ra hi n t ng k t tinh ả ệ ượ ế dung d ch) . Th ng s d ng ị ườ ử ụ dung d ch đ ng – amniac c a ị ồ ủ các aicd y u : axetic (axetat) ế cacbonic (cacbonat) và muravic Ng ng t t p ch t b ng ư ụ ạ ấ ằ ph ng pháp làm l nh sâuươ ạ Bi n pháp ng ng t phân đo n ệ ư ụ ạ b ng cách làm l nh s u dùng đ ằ ạ ạ ể phân chia khí c c hóa là m t h n ố ộ ỗ h p có thành ph n ph c t p ợ ầ ứ ạ Bi n pháp ng ng t phân đo n ệ ư ụ ạ b ng cách làm l nh s u dùng đ ằ ạ ạ ể phân chia khí c c hóa là m t h n ố ộ ỗ h p có thành ph n ph c t p ợ ầ ứ ạ Ph ng pháp hyro hóaươ Xúc tác niken (ph lên oxit ủ nhôm ) t= 200 – 400ở 0c CO + 3H2  CH4 + H2O CO2 +4 H2  CH4 + 2H2O LOGO C s lý thuy t t ng h p NHơ ở ế ổ ợ 3 N2 +3H2  2NH-3 + Q Giá tr hi u ng nhi t 500ị ệ ứ ệ ở 0C ng v i ứ ớ các giá tri áp su t khác nhau thì s có ấ ẽ giá tr khác nhauị ph n ng gi m th tích. Theo Le – ả ứ ả ể Shatelia thì P tăng , cân b ng s sang ằ ẽ ph i , t c đ cũng tăng lên nhi u nên ả ố ộ ề l ng Q t a ra l nượ ỏ ớ Đ chuy n cân b ng v phía t o NHể ể ằ ề ạ 3 c n ph i có áp su t cao và nhi t đ ầ ả ấ ệ ộ th p. Tuy nhiên nhi t đ cao thì t c ấ ở ệ ộ ố đ ph n ng t ng h p NHộ ả ứ ổ ợ 3 x y ra ch m ả ậ n u nh không s d ng xúc tácế ư ử ụ Quá trình t ng h p NHổ ợ 3 có th s ể ử d ng các ch t xúc tác nh : Fe(ch a 3 ụ ấ ư ứ kích ho t là Alạ 2O3, K2O, CaO), Pt, Oc, Mg,W ,U, Rh… Đ ng h c quá trình t ng h p NHộ ọ ổ ợ 3 Khu ch tán Nế 2và H2 t dòng khí đ n b ừ ế ề m t h t xúc tác và trong mao qu n c a ặ ạ ả ủ h tạ H p ph hóa h c khí lên ch t xúc tácấ ụ ọ ấ Tác d ng gi a Nụ ữ 2và H2 trên b m t xúc ề ặ tác . Lúc đó N2 thu đi n t xúc tác , còn ệ ử hyro cho xúc tác đi n t c a mình đ bù ệ ử ủ ể đ p s t n th t đi n t xúc tác . K t ắ ự ổ ấ ệ ử ế qu là l n l t t o thành nh ng h p ả ầ ượ ạ ữ ợ ch t hóa h c b m t :imit NH,amit NHấ ọ ề ặ 2, và amiac NH3 Gi i h p ph (nh h p ph ) NHả ấ ụ ả ấ ụ 3 và khuy ch tán vào th tích pha khí ế ể Thi i b t ng h p NHế ị ổ ợ 3 M c đ cao h n h p khí vào Hứ ộ ỗ ợ 2 – N2 đ t y s ch các ch t đ c và xúc tác trể ẩ ạ ấ ộ ơ gi t l Nữ ỷ ệ 2/H2≈ 1/3 Nhi t đ t i u c a quá trình theo chi u ệ ộ ố ư ủ ề dài c a vùng xúc tácủ Gi m hàm l ng NHả ượ 3 c a vào thi i ở ử ế b ti p xúc ị ế Hoàn thi n c c u c a thi t b ti p ệ ơ ấ ủ ế ị ế xúc Ph ng pháp công nghi p đ t ng h p NHươ ệ ể ổ ợ 3 Trong công nghi p s n xu t NHệ ả ấ 3,th ng ườ dùng áp su t t 1.10ấ ừ 7 đ n 1.10ế 8N/m2. Ph thu c vào áp su t chia thành các h :ụ ộ ấ ệ + áp su t th p 1.10ấ ấ 6 ÷ 15.106 N/m3. + áp su t trung bình (25÷60).10ấ 6 N/m3. +áp su t cao (60÷100) .10ấ 6 N/m3. H áp su t trung bìnhệ ấ Đây là h đ c áp d ng r ng rãi nh t ệ ượ ụ ộ ấ b i vì trong nh ng đi u ki n này có th ở ữ ề ệ ể gi i quy t thành công các v n đ tách ả ế ấ ề NH3 v i t c đ quá trình đ l n trong ớ ố ộ ủ ớ thi t b ti p xúc.ế ị ế S đ công ngh t ng h p Amoniac d i áp xu t th pơ ồ ệ ổ ợ ướ ấ ấ S ph thu c hàm l ng NHự ụ ộ ượ 3 trong h n h p Nỗ ợ 2,H2 h i l u vào nhi t đ và áp su t ồ ư ệ ộ ấ đ a ra trên hình sau:ư Qua hình v ta th y : n u áp su t tăng, nhi t đ gi m thì l ng NHẽ ấ ế ấ ệ ộ ả ượ 3 trong h n h p ỗ ợ h i l u gi m, t c đ chuy n hóa cân b ng th p t ng h p (2) tăng.ồ ư ả ứ ộ ể ằ ở ấ ổ ợ Hàm l ng NHượ 3 cũng có th tính b ng công th c th c nghi m sau:ể ằ ứ ụ ệ Ở đây, C’-hàm l ng NHượ 3 trong h n h p khí Nỗ ợ 2,H2 tính % th tích.ể Hình 55 : Tháp t ng h p NHổ ợ 3 d i áp su t trung bình ướ ấ 1.N p đ yấ ậ 2.Thân Tháp 3.H p xúc tácộ 4.Các ng trao đ i nhi tố ổ ệ 5.L p cách nhi tớ ệ 6.Ghi lò 7. ng trung tâmỐ 8.B ph n trao đ i nhi tộ ậ ổ ệ THÁP T NG H P NHỔ Ợ 3 Năng su t c a tháp t ng h p NHấ ủ ổ ợ 3 đ c tính:ượ đây:Ở G – năng su t tháp, kg/hấ V – v n t c th tích khí, mậ ố ể 3/s V – th tích xúc tác, mể 3 C1 – n ng đ NHồ ộ 3 trong h n h p Nỗ ợ 2,H2 c a vào,%ở ử C2 - n ng đ NHồ ộ 3 c a ra,%ở ủ 0.771 – t tr ng c a NHỉ ọ ủ 3, kg/ m3 Th i gian làm vi c c a l p xúc tác ph thu c vào m c đ làm s ch không khí, thông ờ ệ ủ ớ ụ ộ ứ ộ ạ th ng là g n 2 nămườ ầ S đ công ngh hi n đ i t ng h p Amoniac ơ ồ ệ ệ ạ ổ ợ LOGO Ph ng h ng phát tri n công nghi p NHươ ướ ể ệ 3 Tăng công su t c a dây chuy n. công su t liên t c tăng:ấ ủ ề ấ ụ 50÷60 t n/ngày 1955ấ 100 t n/ngày 1960ấ 1000 t n/ngày 1970ấ 1500 t n/ngày1977ấ 3000 t n/ngày hi n nay.ấ ệ V n đ đ c ra là ph i ch t o đ c nh ng thi t b có năng su t cao h n. Trên th c t ấ ề ặ ả ế ạ ượ ữ ế ị ấ ơ ự ế ng i ta đang quan tam đ n là tâng sôi. Trong lò t ng sôi di n tích b m t ti p xúc gi a ườ ế ầ ệ ề ặ ế ữ ch t xúc tác v i khí s tăng lên, c i thi n ch đ nhi t c a xúc tác và nh v y s ấ ớ ẽ ả ệ ế ộ ệ ủ ư ậ ẽ c ng hóa quá trình.ườ Đi n năng tiêu t n nhi u (1250 kWh/t n NHệ ố ề ấ 3 trong dây chuy n áp su t trung bình) ch ề ấ ủ y u dùng vào vi c nén khí. Vì v y có h ng dùng áp su t th p , nh ng áp su t th p thì ế ệ ậ ướ ấ ấ ư ấ ấ m c chuy n hóa cân b ng gi m và ph i dùng nhi t đ th p, mà nhi t đ th p thì t c ứ ể ằ ả ả ệ ộ ấ ệ ộ ấ ố đ ch m, th m chí có th ph n ng không ti n hành đ c, v v y ph i tìm ch t xúc tác ộ ậ ậ ể ả ứ ế ượ ỉ ậ ả ấ có kh năng làm vi c nhi t đ th p nh ng cho hi u qu cao và ít b ng đ c.ả ệ ở ệ ộ ấ ư ệ ả ị ộ ộ TÀI LI U THAM KH OỆ Ả  K thu t hóa h c đ i c ng _ TS. Nguy n ỹ ậ ọ ạ ươ ễ Th Di u Vânị ệ   LOGO