Công nghệ sản xuất amoniac

công nghệ sản xuất NH3 I Tính chất hóa lý II tính chất hóa học III Quy trình sản xuất IV Ứng dụng Lịch sử phát hiện và ứng dụng, các nguồn phát sinh amoniac Amoniac là một trong những hợp chất hóa học có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp hóa học

Công nghệ sản xuất

Nội dung:

Tính chất vật ly

Tính chất hóa học Quy trình sản xuất Ứng dụng

 Lịch sử phát triển

- Người Roman xưa đã tìm thấy muối amoni clorua

- Vào năm 1774, Joseph Priestley lần đầu tiên phân lập

amoniac dạng khí

- Tuy nhiên người đầu tiên thu được chất khí này là nhà giả kim thuật Basil Valentine 11 năm sau, Claude Louis Berthollet đã xác định được thành phần phân tử của amoniac là NH3.

- Fritz Haber và Carl Bosch là những người phát hiện quy trình sản xuất amoniac vào năm 1909.

 Các nguồn phát sinh amoniac

• Từ nhà máy phân ure

• Từ nhà máy chuyên sản xuất NH3 lỏng

Nhâ

n tạo

• Khí quyển

• Phân hủy xác động thực vật

• Nước mưa, nước biển, núi lửa

• Các hoạt động sinh hóa hàng ngày

Tự

nhiê

n

Amoniac là một chất không màu,

mùi khai và xốc, nhẹ hơn không

khí

I TÍNH CHẤT VẬT LY

Điểm sôi (ở áp suất khí quyển) -33,34°C

Tỷ trọng (so với không khí ở OoC) 0,586

Độ hòa tan trong nước g/100g H2O 89,9 (OoC) 60 (ở 15°C) 7,4 (100°C)

Độ tan của NH3 khí trong 1 lit nước 700 lít (20°C)

Giới hạn nổ với không khí 15-28% (thể tích)

I TÍNH CHẤT VẬT LY

 NH3 lỏng là một dung môi hòa tan tốt nhiều chất và là

một trong những dung môi ion hóa không nước quan trong nhất

  Độ tan (g muối/ 100 g NH 3 lỏng) Amoni axetat 253.2

Amoni nitrat 389.6 Liti nitrat 243.7 Natri nitrat 97.6 Kali nitrat 10.4 Natri florua 0.35 Natri clorua 3.0 Natri brorua 138.0 Natri iodua 161.9 Natri tioxyanat 205.5

Độ tan của một số muối vô cơ trong NH 3 lỏng :

II TÍNH CHẤT HÓA HỌC

II TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1 Phản ứng hóa hợp

- Hóa hợp với nước:

 Hóa hợp với axit:

II TÍNH CHẤT HÓA HỌC

2 Phản ứng thê

Thê các nguyên tử hiđro trong phân tử NH3 bằng những kim loại hoạt động tạo thành hợp chất amidua ( có chứa nhóm amino

NH2-); hợp chất imidua (chứa nhóm imino NH2-) hoặc hợp chất

nitrua chứa ion nitrua N3-)

II TÍNH CHẤT HÓA HỌC

3 Phản ứng oxi hóa:

Amoniac còn tác dụng với nhiều chất oxi hóa

để thể hiện tính khử

4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O

8 NH3 dư + 3Cl2  N2 + 6NH4Cl

NH3 + Cl2 dư  NCl3 + 3HCl 3CuO + 2NH3  3Cu + N2 + 3H2O

II TÍNH CHẤT HÓA HỌC

4 Phản ứng khác:

- Amoniac là hợp chất bền, ở 1atm phân hủy hoàn toàn ở 5000C,

ở 30atm phân hủy ở 7000C :

2 NH ƒ N + 3 H

- Dung dịch amoniac có khả năng hòa tan hiđroxit hay muối ít

tan của một số kim loại, tạo thành các dung dịch phức chất.

Vd : Cu(OH)2 + 4NH3  [Cu(NH3)4](OH)2

Cu(OH)2 + 4NH3  [Cu(NH3)4]2+ + 2OH

(xanh thẫm)

- NH3 có tính ăn mòn các kim loại và hợp kim chứa đồng (Cu), kẽm (Zn), nhôm (Al), vàng (Au), bạc (Ag), thủy ngân (Hg), v.v

- NH3 lỏng phá hủy các chất dẻo, cao su, gây phản ứng trùng hợp

nổ của etylen oxit.

III QUY TRÌNH SẢN XUẤT

- Sản xuất ở quy mô rất nhỏ:

2 NH4Cl + 2 CaO → CaCl2 + Ca(OH)2 + 2 NH3 

Quy trình Haber (hay còn gọi là quy trình Haber-Bosch) là quy

trình dựa trên phản ứng cố định nitơ bằng hyđro trên nền sắt

(xúc tác) để tạo ra NH3

- Sản xuất ở quy mô công nghiệp

Sơ đồ quy trình Haber-Bosch trong công nghiệp

III QUY TRÌNH SẢN XUẤT

5 công nghệ được thương mại hóa nhiều nhất:

III QUY TRÌNH SẢN XUẤT

1/ Công nghệ Haldor Topsoe

III QUY TRÌNH SẢN XUẤT

Các bước trong quy trình tổng hợp amoniac:

a Ðiều chế hỗn hợp khí nitơ - hydro

ĐIỀU CHẾ NITO NI TƠ

PP hồ quang

PP xianamit

PP amoniac

Chưng cất không

khí

Hấp phụ PSA

N2 + O2  2NO -179.2KJ CaC2 + N2  CaCN2 + C +301,5 KJ

N2 + 3H2  2NH3

+ Q

ĐIỀU CHẾ HYDRO

HYDR

O

470 520

Fe O C

có màng ngăn

¾¾ ¾ ¾ ¾ ¾®2NaOH+Cl2+H2

Chuyển hóa mêtan

CH4 + H2O  CO + 3H2 – 206kJ

CH4 + ½ O2  CO + 2H2 + 35kJ

CO + H2O  CO2 +H2 +41 kJ

CH4 + 2H2O  CO2 + 4H2 – 165 kJ

Áp suất khí quyển hoặc áp suất cao

Có sử dụng chất xúc tác (gọi là chuyển hóa xúc tác) hoặc không dùng chất xúc tác (chuyển hóa ở nhiệt độ cao)

Có thể dùng các chất xúc tác Ni phủ lên oxit nhôm hay là phủ lên oxit mangan

có thể tích V tăng, nên khi tăng áp suất thì

nồng độ CH4 sẽ tăng lên trong hỗn hợp

khí, nhưng quá trình chuyển hóa vẫn diễn

ra thuận lợi khi nâng áp suất vì tốc độ

phản ứng sẽ tăng lên Thường tận dụng áp

suất của khí tự nhiên nhằm tiêt kiệm điện

năng để nén khí

Quá trình chuyển hóa không xúc tác nhiệt độ cao khí metan đượ thực hiện theo phản ứng:

Chuyển hóa oxit

cacbon

Khí thu được sau khi chuyển hóa metan

chứa 20 – 40 % oxit cacbon Tác dụng

giữa CO và hơi nước tiên hành theo phản

ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt:

Nhiệt độ tối ưu hạ xuống theo độ tăng

mức chuyển hóa Nhưng nhiệt độ thực

trong vùng xúc tác sẽ tăng lên nêu không

dẫn nhiệt ra ngoài Để tránh điều mâu

thuẫn này có thể chuyển hóa 2 bậc trong

thiêt bị tầng với sự giảm nhiệt độ nhờ

hiện tượng bay hơi nước giữ các tầng

Khi tăng nhiệt độ sẽ chuyển dịch cân bằng về phía trái (không mong muốn) Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp phản ứng xảy

ra chậm ngay cả khi có mặt chất xúc tác

phương pháp chuyển hóa xúc tác Sn –

Cr – Cu (thiêc, crom, đồng) ở nhiệt độ thấp (200 – 3000C và lượng dư CO trong khí ra khoảng 0,2 – 0,4% )

H2S Tách Tách CO2 CO2 Tách Tách CO CO

III QUY TRÌNH SẢN XUẤT

b Làm sạch khí

 Tách tro, bụi, dầu: có thể khử bụi, tro bằng rửa

nước, qua lọc điện khô hoặc lọc điện ướt Khử sạch dầu bằng lọc hoặc quán tính ly tâm.

(R là nhóm – CH CH OH)

Tách CO2

Hấp thụ bằng nước:

- Rửa khí bằng nước lạnh

ở áp suất 16 – 25 atm, tưới

trong các tháp đệm

- Sau đó cho nước qua

tuốc bin để giảm áp suất

xuống 1atm, do đó khí sẽ

thoát ra khỏi nước Khí

này chứa 80% CO2, 11%

H2 và một ít N2, H2S

Hấp thụ bằng nước: Dùng etanolamin để làm sạch CO2, tạo thành hợp chất cacbonat

và bicacbonat amin

2RNH2+H2O +CO2 (RNH3)2CO3 RNH2+H2O+CO2  (RNH3)HCO3

 Đun nóng dung dịch để tách CO

Loại bỏ vi lượng CO

Hidro hoá có xúc tác Ni/Cr ở nhiệt độ 150oC, áp suất 3atm

CO + 3H2   CH4 + H2O

Phương pháp đồng amoniac

[Cu(NH3)n]OOCCH3 NH3 ở áp suất (120 – 300atm) và 25oC

[Cu(NH3)n]OOCCH3 + CO  [Cu(NH3)nCO]OOCCH3

Tách CO

III QUY TRÌNH SẢN XUẤT

c Nén khí

  Dùng các máy nén công suất lớn để tạo đủ áp suất

cần thiêt cho hỗn hợp khí trong hệ thống tổng hợp

amoniac

d Tổng hợp amoniac

Dựa vào áp suất sử dụng, người ta chia làm 3 loại hệ thống tổng hợp amoniac:

 - Hệ thống làm việc ở áp suất thấp 100 - 160 atm  

 - Hệ thống làm việc ở áp suất trung bình 250-360atm  

 - Hệ thống làm việc ở áp suất cao 450 - 1000 atm.

Tháp tổng hợp NH3 dưới áp suất trung bình

1.Nấp đậy2.Thân Tháp3.Hộp xúc tác4.Các ống trao đổi nhiệt5.Lớp cách nhiệt

6.Ghi lò7.Ống trung tâm8.Bộ phận trao đổi nhiệt

Sơ đồ thiết bị tổng hợp amoniac

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 : nêu 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 NH trong hỗn hợp khí N ,H tính % thể tích

Năng suất của tháp tổng hợp NH3 được tính:

 2 công nghệ sản xuất amoniac điển hình nhất:

1 Công nghệ Haldor Topsoe A/S 

Sơ đồ công nghệ hiện đại tổng hợp Amoniac

2 Công nghệ Krupp Uhde

Công nghệ Krupp Uhde, người ta áp dụng phương

pháp reforming thông thường bằng hơi nước để sản xuất khí tổng hợp chứa CO và H2, tiêp theo sử dụng chu trình tổng hợp amoniac với thiêt bị trung áp

Phương pháp này được tối ưu hóa để giảm tiêu thụ

năng lượng và tăng độ ổn định vận hành

Phương hướng phát triển công nghiệp NH3

- Tìm các phương pháp mới để tổng hợp amoniac, nhất là tổng hợp

ở nhiệt độ và áp suất thường Các nhà hóa học đã điều chê

được amoniac từ nitơ ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển bình thường

Phương pháp này cần nhiều năm nữa mới có thể được áp dụng một cách có hiệu quả kinh tê trong sản xuất công nghiệp.

- Enzym nitrogenases nên có khả năng chuyển nitơ không khí thành

NH3 Quá trình  này được gọi là quá trình cố định đạm (nitơ) Hiện nay các nhà khoa học chỉ hy vọng tìm hiểu bản chất của  quá trình

cố định đạm trong sinh vật Một phát hiện rất ấn tượng liên quan đên vấn đề này là đã tìm ra vùng hoạt động của enzym cố định đạm có cấu trúc dị thường Fe7MoS9.

IV ỨNG DỤNG

THE END