NHỮNG ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC I. Một số khái niệm và định nghĩa: 1. Năng suất: Năng suất thiết bị, phân xưởng hay nhà máy, ... là số lượng sản phẩm tạo ra (hay nguyên liệu chế b
Trang 1CHƯƠNG V CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT NITRIC
I Khái niệm chung:
- Axit nitric ở nhiệt độ thường là chất lỏng không màu, bốc khói
- Tuỳ thuộc vào nồng độ mà axit nitric có nhiệt độ sôi và kết tinh khác nhau: dung dịch axit HNO3 68.4% có nhiệt độ sôi cao nhất bằng 121.9oC Đây là điểm đẳng phí của dung dịch
- Khi sôi axit HNO3 bị phân huỷ theo phản ứng:
4HNO3 = 2H2O + 4NO2 + O2
NO2 hoà tan lại vào axit làm cho axit có màu vàng hoặc đỏ
- Axit HNO3 là chất oxy hoá mạnh Axit HNO3 đậm đặc hoà tan tất cả các kim loại tạo thành các oxyt (trừ các kim loại quí: Au, Pt, Rh, )
- Các oxyt kim loại có khả năng tan trong axit HNO3 tạo các muối nitrat Riêng đối với Fe, Al, Cr khi tác dụng với axit HNO3 đậm đặc, nguội có lớp oxyt bền vững tạo thành trên bề mặt chịu được tác dụng của axit
- Các tế bào động, thực vật bị axit HNO3 phá huỷ Đối với hợp chất hữu cơ mạch vòng có nhân thì gốc NO2 thay thế gốc H
- Trong công nghiệp có hai loại axit HNO3 : loãng (50-60%); đậm đặc (96-98%)
- Axit HNO3 được dùng để sản xuất phân đạm, thuốc nổ, chất dẻo, sợi tổng hợp,
II Công nghệ sản xuất axit HNO 3 loãng:
1/ Nguyên lí chung:
Hiện nay trong công nghiệp, người ta điều chế axit HNO3 chỉ bằng một phương pháp duy nhất, đó là oxy hoá NH3 Qúa trình này được tiến hành theo hai giai đoạn:
- Oxy hoá NH3 thành NO
- Hấp thụ NO2 để điều chế HNO3
a/ Oxy hoá amoniac thành oxyt nitơ:
4NH3 + 5O2 ⎯⎯Pt−Rh⎯( 750⎯− 850⎯⎯0C→
4NO + 6H2O + Q Ngoài ra còn có phản ứng phụ tạo thành N2:
4NH3 + 3O2 ⎯⎯→ 2N2 + 6H2O + Q
Ở đây người ta sử dụng hỗn hợp NH3 trong không khí có nồng độ 10-11% (theo thể tích), trong điều kiện phản ứng như vậy hiệu suất tạo thành NO đạt đến 96-98% Hỗn hợp khí tạo thành gọi là nitroza
Phản ứng oxy hoá amoniac được tiến hành trong thiết bị tiếp xúc Hiện nay, người
ta sử dụng thiết bị tiếp xúc là một tổ hợp gồm ba thiết bị (Hình 5.1.)
• Trên cùng là thiết bị lọc catông
• Tiếp đến là thiết bị oxy hoá
• Cuối là nồi hơi thu hồi
Trang 2- Hỗn hợp khí đi vào thiết bị lọc (1) qua một loạt các ngăn lọc, rồi theo các cửa trên trụ dẫn khí (2) ở tâm thiết bị và đi xuống phần thiết bị oxy hoá Tại đây, khí đi qua lưới phân phối (3) có tác dụng phân phối đều hỗn hợp khí để đi xuống lưới xúc tác (4) Phía dưới lưới đặt một lớp vòng kim loại (5) dày 250mm để nhận nhiệt của khí, có tác dụng như một bộ tích nhiệt phòng khi thiết bị ngừng hoạt động trong một thời gian ngắn sẽ đốt lò lại được dễ dàng Lớp vòng này còn có tác dụng giữ lại các hạt xúc tác Pt bay theo khí, sau một thời gian có thể thu hồi lại được
- Phần thiết bi dưới lưới xúc tác làm việc ở nhiệt độ cao Do đó, được lót một lớp gạch chịu nhiệt
b/ Điều chế axit HNO 3 :
Giai đoạn này gồm hai quá trình:
- Oxy hoá tiếp NO thành NO2:
NO + O2 NO2 + Q
- Hấp thụ NO2 bằng H2O để tạo thành HNO3:
3NO2(k) + H2O(l) 2HNO3(l) + NO(k) + Q Cả hai phản ứng trên đều toả nhiệt và xảy ra theo chiều giảm thể tích Do đó, phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận khi giảm nhiệt độ và tăng áp suất
Tuỳ theo áp suất của hệ thống thiết bị mà người ta chia ra 3 loại công nghệ sản xuất axit HNO3 loãng:
• Hệ thống làm việc ở áp suất thường: điều chế HNO3 50% (hiệu suất chuyển hoá NO2 là 92%)
• Hệ thống làm việc ở áp suất cao (6-8 atm): điều chế HNO3 > 60% (hiệu suất chuyển hoá NO2 là 98%)
• Hệ thống hỗn hợp áp suất thường đến áp suất cao
2/ Hệ thống điều chế axit HNO 3 ở áp suất thường:
(Hiện nay vẫn còn sử dụng rộng rãi)
* Sơ đồ lưu trình công nghệ điều chế axit nitric ở áp suất thường (Hình 5.2.)
- Không khí được đưa qua thiết bị làm sạch khí bằng nước hay bằng xô đa loãng (1) để khử khí có tính axit và qua thiết bị lọc bằng dạ (2) để loại tạp chất cơ học
- Sau đó không khí được quạt (3) đưa qua thiết bị lọc catông (4) cùng với khí NH3 sạch dưới dạng hỗn hợp khí amoniac có nồng độ 10-12% NH3 Từ thiết bị lọc (4) khí đi vào thiết bị tiếp xúc (5) để oxy hoá NH3 thành NO ra khỏi (5) hỗn hợp khí nitroza có nhiệt độ lên đến 750-850oC đưa qua nồi hơi thu hồi (6) để giảm nhiệt độ, đồng thời tận dụng nhiệt thừa để sản xuất hơi quá nhiệt (có áp suất 40 atm và nhiệt độ 450oC)
- Sau đó hỗn hợp khí có nhiệt độ 160oC đưa vào hệ thống thiết bị làm lạnh kiểu ống chùm (7) và (8) làm lạnh bằng nước Nhiệt độ khí giảm xuống còn 40oC Tại hai thiết
bị này, NO bị oxy hoá thành NO2 và trong thiết bị tạo thành axit HNO3 được lấy ra ở đáy tháp với các nồng độ tương ứng là 2-3% ở tháp (7) và 30% ở tháp (8) (sở dĩ ở tháp (8) có
Trang 3nồng độ axit cao hơn ở tháp (7) vì tại tháp (8) sự oxy hoá NO thành NO 2 lớn hơn vì nhiệt độ tối ưu cho phản ứng này khoảng 40 o C)
- Từ tháp (8) ra khí được quạt (9) đưa vào hệ thống sáu tháp hấp thụ từ (10) đến (15) kiểu tháp đệm, được tưới bằng axit nitric với các nồng độ thích hợp Tại các tháp vừa xảy ra phản ứng hấp thụ NO2 vừa xảy ra phản ứng oxy hoá NO vừa được tạo thành Axit của tháp sau có nồng độ hấp hơn được chuyển dần lên tháp trước để tạo thành axit có nồng độ cao hơn Axit thành phẩm được lấy ra ở tháp hấp thụ (11) chứ không lấy ra ở tháp (10) vì tháp này được sử dụng như một thiết bị chuyển hoá tiếp tục NO thành NO2 Các axit tuần hoàn đều được làm lạnh trước khi bơm trở lại tháp hấp thụ
- Ra khỏi tháp (15) hỗn hợp khí còn khoảng 0.6-0.8% oxyt nitơ Khí được đưa vào tháp hấp thụ xô đa (16), (17) để thu hồi các oxyt nitơ dưới dạng các muối Na2NO3 và NaNO2 theo phản ứng:
Na2CO3 + NO2 + NO = 2NaNO2 + CO2
Na2CO3 + 2NO2 = NaNO2 + NaNO3 + CO2 Dung dịch NaCO3 với nồng độ 200-250 g/l được đưa vào tháp (17) và sản phẩm được lấy ra ở tháp (16)
- Đối với quá trình hấp thụ bằng kiềm, thì quá trình hấp thụ sẽ tối ưu nếu nồng độ
NO2 và NO trong hỗn hợp khí bằng nhau Do đó, phia sdưới các tháp hấp thụ bằng kiềm người ta thường bố trí tháp oxy hoá (18) không tưới dung dịch hấp thụ Tại đây, sẽ xảy ra phản ứng oxy hoá NO thành NO2 làm cho tỷ lệ hai khí này bằng đơn vị
- Khí ra khỏi tháp (17) chỉ còn 0.1% oxyt nitơ Dung dịch nitrit-nitrat được dùng để điều chế NaNO3