KỸ THUẬT SẢN XUẤT NH3

Phương pháp công nghiệp để tổng hợp NH3 IV.. Phương pháp công nghiệp để tổng hợp NH3 V.. Tùy theo chất oxi hóa sử dụng mà trong công nghiệp có 3 loại công nghệ chuyển hóa:- Chuyển hóa bằ

Nội dung

I Tính chất hoá lý và ứng dụng

II Nguyên liệu sản xuất NH3

II Nguyên liệu sản xuất NH3

III Tổng hợp NH3

III Tổng hợp NH3

IV Phương pháp công nghiệp để tổng hợp NH3

IV Phương pháp công nghiệp để tổng hợp NH3

V Phương hướng phát triển công nghiệp NH3

V Phương hướng phát triển công nghiệp NH3

VI Kết luận

I.Tính chất hóa lý và ứng dụng

1.Các tính chất hóa lý chính

Amoniac là một hợp chất vô cơ có công thức phân tử NH3 Ở điều kiện tiêu chuẩn, nó là một chất khí độc,

có mùi khai, tan nhiều trong nước

Amoniac là một chất không màu, mùi khai và

xốc, nhẹ hơn không khí

Amoniac hoá lỏng ở -340C và hoá rắn ở -780C

Hiện tượng Nồng độ, ppm

Gây khó chịu và ảnh hưởng đến sức khỏe khi tiếp xúc lâu 50-100

Gây chảy nước mắt kể cả khi tiếp xúc trong thời gian ngắn 150-200

Kích thích mắt, mũi, khó thở kể cả khi tiếp xúc trong thời

Nguy hiểm đến tính mạng kể cả tiếp xúc dưới 30 phút 2.000-3.000

Phù, ngẹt thở, ngạt và nhanh chóng tử vong 5.000-10.000

Phân loại giới hạn nồng độ của NH3 tác động

đến sức khỏe con người

Đốt amôniăc trong oxi, nó cháy với ngọn lửa màu vàng tươi

NH3 bị oxi hoá bởi oxi tạo ra N2 và H2O

Khói trắng là những hạt nhỏ tinh thể NH4Cl được tạo nên do HCl

sau khi sinh ra lại hoá hợp ngay với NH3

NH3 + HCl → NH4Cl

4 NH3 là một acid yếu:

Năm 2010 Dự kiến khoảng 202 triệu tấn

Sản lượng của amoniac thế giới

II Nguyên liệu sản xuất NH3

II Nguyên liệu sản xuất NH3

2.2.1 Đi từ khí thiên nhiên

2.2.2 Phương pháp chuyển hóa Metan 2.2.3 Phương pháp chuyển hóa cacbon

2.2 Điều chế Hydro

Phương pháp chuyển hóa Metan

Tác dụng của metan với hơi nước và oxi:

•Áp suất khí quyển hoặc áp suất cao;

•Nhiệt độ T=800-900oC, xúc tác Ni/Al2O3 hoặc MnO, MgO;

•Nhiệt độ T=1250oC nếu không có xúc tác => Phản ứng tạo mồ hóng

Tăng vận tốc:

↑ áp suất: sử dụng áp suất khí tự nhiên nhằm tiết kiệm điện năng nén khí,

=> Giảm thể tích thiết bị, thể tích đường ống dẫn

Tùy theo chất oxi hóa sử dụng mà trong công nghiệp có 3 loại công nghệ chuyển hóa:

- Chuyển hóa bằng hơi nước có xúc tác.

- Chuyển hóa bằng hơi nước và oxi có xúc tác.

- Chuyển hóa không có xúc tác bằng oxi hay không khí giàu oxi.

Sơ đồ lưu trình công nghệ chuyển hóa metan bằng hơi nước có xúc tác

1,3:thiết bị trao đổi nhiệt; 2:thiết bị làm lạnh khí sơ bộ; 4:lò ống;

5:tháp chuyển hóa metan (thứ 2);

6: nồi hơi-thu hồi; 7:tháp tăng ẩm;8:thiết bị trộn; 9:thiết bị chuyển hóa CO

Phương pháp chuyển hóa Cacbon

Điều kiện: T=500oC

Tăng vận tốc phản ứng:

•↑ áp suất;

•↑ hàm lượng hơi nước;

•↓ nhiệt độ, tuy nhiên nhiệt độ thấp phản ứng xảy ra rất chậm

ngay khi có mặt xúc tác Phải thường xuyên dẫn nhiệt ra ngoài

do nhiệt độ thực trong vùng xúc tác tăng

Phương pháp làm sạch khí

•Hấp phụ: khi hàm lượng tạp chất nhỏ;

•Hấp thụ: làm sạch khí khỏi CO, CO2;

•Ngưng tụ (làm lạnh sâu): tiêu tốn nhiều điện năng

•Hydro hóa xúc tác, sau đó tách nước tạo thành => khi hàm lượng CO, CO2 và O2 trong khí chuyển hóa thấp.

Làm sạch khí chuyển hóa khỏi các hợp chất chứa lưu huỳnh: H2S, CS2, COS, C2H5SH

Làm sạch khí chuyển hóa khỏi CO2

Quá trình hoàn nguyên ở áp suất thấp

•Metanol, propilen cacbonat C4H6O3, sunfotan C4H8SO2

Làm sạch khí chuyển hóa khỏi CO

Hấp thụ:

•Rửa bằng dd amiăc-đồng: hàm lượng CO còn lại thấp 0,003%

Điều kiện hấp thụ: P cao (120-300 atm), nhiệt độ thấp (<25oC)

Quá trình hoàn nguyên: P khí quyển, nhiệt độ T=77-79oC)

Cu(NH3)nOOCCH3 + CO ↔ [Cu(NH3)nCO]OOCCH3

Phương pháp làm lạnh sâu: => phân chia khí cốc hóa

Ngưng tụ khí cốc hóa ở nhiệt độ sôi của N2: -195,7oC => thu hỗn hợp khí N2 và H2.Rửa hỗn hợp khí bằng N2 lỏng để làm sạch hỗn hợp khí khỏi CO

Phương pháp hydro hóa:

Khi hàm lượng CO và CO2 còn lại < 1% Điều kiện: xúc tác Ni/Al2O3, T=200-400oC

CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O

CO2 +4 H2 ↔ CH4 + 2H2O

III Tổng hợp NH3III Tổng hợp NH3

3.1 Cơ sở lý thuyết

3.2 Chất xúc tác

3.3 Cơ chế động học

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 +Q

Phản ứng tỏa nhiệt và giảm thể tích nên cân bằng sang phải khi ↑P và ↓T

Tuy nhiên cần tăng nhiệt độ (>400-500oC) và cần sử dụng xúc tác để ↑ tốc độ phản ứng

Động học quá trình:

Tổng hợp NH3 là quá trình xúc tác dị thể xảy ra theo các giai đoạn:

•Khuếch tán N2và H2 từ dòng khí đến bề mặt hạt xúc tác và vào trong mao quan của hạt

Xúc tác: Fe (Al2O3, K2O, CaO), Pt, Oc, Mg, W, U, Rh…

Al2O3 ngăn ngừa sự kết tinh cử các tinh thể sắt nhỏ, tăng diện tích bề mặt cho chất xúc tác => tăng hoạt tính xúc tác

Nhược: Al2O3 có tính acid => gây khó khăn cho quá trình thoát NH3 khỏi bề mặt xúc tác % Al2O3 lớn gây khó khăn cho quá trình hoàn nguyên Fe

K2O: Tăng khả năng hấp phụ N2và H2 trên bề mặt chất xúc tác

CaO và SiO2: tăng tính bền nhiệt của xúc tác

Thiết bị phản ứng

1 Hỗn hợp khí phải sạch;

2 Giữ tỉ lệ N2/H2 ≈ 1/3;

3 Nhiệt độ tối ưu của quá trình theo chiều dài xúc tác;

4 Giảm hàm lượng NH3 ở cửa vào thiết bị tiếp xúc;

5 Hoàn thiện cơ cấu của thiết bị tiếp xúc.

4.1 Hệ áp suất thấp: P = 1-15 MPa

4.2 Hệ áp suất trung bình: P = 25-60 MPa

4.3 Hệ áp suất cao: P = 60-100 MPa

IV Phương pháp công nghiệp để tổng hợp

IV Phương pháp công nghiệp để tổng hợp

- Phần trên là hộp xúc tác với các ống truyền nhiệt.

- Phần dưới là thiết bị truyền nhiệt.

Sơ đồ lưu trình công nghệ tổng hợp amôniac ở áp suất trung bình

1: tháp tổng hợp amôniac; 2: thiết bị ngưng tụ; 3: thiết bị phân ly; 4:bơm tuần

hoàn; 5: thiết bị lọc; 6: tháp ngưng tụ; 7: tháp bốc hơi amôniac

1/ Công nghệ Haldor Topsoe;

2/ Công nghệ M.W Kellogg;

3/ Công nghệ Krupp Uhde;

4/ Công nghệ ICI;

5/ Công nghệ Brown & Root

Một số công nghệ sản xuất amoniac

V Phương hướng phát triển công nghiệp NH3

V Phương hướng phát triển công nghiệp NH3

1 Tăng công suất của dây chuyền;

2 Cải tiến thiết bị;

3 Tìm chất xúc tác có khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp nhưng cho hiệu quả cao và ít ngộ độc

VI Kết luận