tổng hợp amoniac và kĩ thuật sản xuất axit nitric

Nhóm 2:
1. Lê Thị Hà
2. Vũ Thị Hà
3. Nguyễn Thị Hà
4. Hoàng Thị Mỹ Hạnh
5. Trần Văn Hào
6. Hồ Thị Hằng
I. Vai trò của các hợp chất nitơ và các phương
pháp tổng hợp chúng từ không khí
1. Vai trò của các hợp chất nitơ
•
Các hợp chất nitơ là một trong các nguyên tố cơ bản tạo
ra protit. Protit là thức ăn chính cho người và động vật.
•
Làm phân bón hóa học, thuốc nhuộm, trừ sâu, chất dẻo,
dược phẩm,….
2. Phương pháp tổng hợp các hợp chất nitơ từ
không khí
a. Phương pháp hồ quang.
CaC2 + N2 1000oC CaCN2 + C – 301,5KJ
b. phương pháp xianamit.
Xianamit thu được (chứa 18-20% nitơ), năng lượng tiêu tốn là 10-12 triệu
KWh cho một tấn nitơ liên kết. Hiện nay ít dùng do tốn nhiều năng lượng.

c. Phương pháp amoniac
N2 + 3H2 450C 2NH3+ Q
Là phương pháp kinh tế hơn các phương pháp khác, tiêu tốn
ít điện năng được dùng rộng rãi.
Công nghệ tổng hợp Amoniac
Khái niệm: ở nhiệt độ thường, amoniac là
khí không màu, có mùi khai, dễ tan trong

nước.
II. Điều chế hỗn hợp khí nitơ – hydro để tổng
hợp amoniac
•
Các phương pháp tổng hợp thường dùng:
Chuyển hóa khí thiên nhiên
Khí hóa than
Phân li khí cốc
•
Chủ yếu dùng chuyển hóa khí thiên nhiên qua 2 giai đoạn:
1. Điều chế khí tổng hợp
CH4 + H2O CO + 3H2 (2)
CH4 + (1/2)O2 = CO + 2H2 (3)
CO + H2O CO2 + H2 (4)
Tùy chất oxi hóa có 3 loại: CH bằng hơi nước có xúc tác, bằng hơi nước và oxi có
xúc tác, không có xúc tác bằng oxi.

a. Chuyển hóa bằng hơi nước có xúc tác
Sơ đồ công nghệ chuyển hóa metan bằng hơi nước có xúc tác.
1,3: thiết bị trao đổi nhiệt; 2: thiết bị khử tạp chất; 4: lò ống; 5: thiết bị chuyển
hóa metan cấp 2; 6: nồi hơi thu hồi; 7: tháp tăng ẩm; 8: thiết bị trộn; 9: thiết bị
chuyển hóa cacbon oxit.
Khí sau khi ra khỏi ống có thành phần (% thể tích):
CH4 10% ; H2 68,9% ; CO 10,8% ; CO2 9,8% ; N2 0,5%.
Vì lượng metan còn, cho nên cần phải chuyển hóa metan
cấp 2 (5). Sau khi ra khỏi thiết bị chuyển hóa metan cấp 2 là:
CH4 0,5% ; H2 56,1% ; CO 13,7% ; CO2 7,2% ; N2 22,5%.
•
Sau khi ra khỏi thiết bị chuyển hóa có thành phần (% thể tích):
CH4 0,4% ; H2 59,8% ; CO 4,0,8% ; CO2 15,2% ; N2 20,6%.

2. Chuyển hóa metan bằng hơi nước và oxi có xúc tác:
Sơ đồ lưu trình công nghệ chuyển hóa bằng hơi nước - oxi có xúc tác.
1: Tháp bão hòa; 2,8: thiết bị trao đổi nhiệt; 3: thiết bị trộn; 4: thiết bị chuyển hóa metan;
5: thiết bị ẩm; 6: thiết bị chuyển hóa CO; 7: nồi hơi - thu hồi; 9: Tháp ngưng tụ; 10: bơm nước.
•
Khí thiên nhiên đưa vào tháp bão hòa (1) p= 2 atm, t°= 82°C nâng nhiệt độ
của khí lên 78-80°C và làm khí bão hòa hơi nước ( tỷ lệ hơi nước:khí =
0,35:1) ra khỏi tháp (1) hỗn hợp khí được bổ sung tiếp hơi nước đến tỷ lệ
hơi nước:khí =1:1 rồi vào thiết bị trao đổi nhiệt (2) tăng t° lên 500-600°C
vào thiết bị (3) để trộn oxi hoặc không khí giàu oxi.
•
Sau đó hỗn hợp hơi - khí được đưa vào thiết bị chuyển hóa metan chất xúc
tác Ni.
•
Khi ra khỏi tháp chuyển hóa có to khoảng 850°C, được đưa vào tháp tăng
ẩm (5) tưới bằng nước ngưng tụ làm khí bão hòa hơi nước và giảm nhiệt độ
xuống đến 75°C. Khí đưa qua thiết bị (2) truyền nhiệt cho khí thiên nhiên
và hạ nhiệt độ xuống đến 400-420°C. Ra khỏi thiết bị (2) vào thiết bị
chuyển hóa CO2 (6), rồi đưa qua các thiết bị nồi hơi - thu hồi (7) để sản
xuất hơi có p= 4-5 atm. Thiết bị truyền nhiệt (8) để gia nhiệt cho nước dùng
cho tháp (1) và cuối cùng là tháp ngưng tụ (9) làm lạnh khí bằng hơi nước.
2. Làm sạch khí tổng hợp
Hỗn hợp khí N2 - H2 điều chế được, trước khi tổng hợp NH3 phải
được qua hệ thống làm sạch khí để loại các hợp chất có hại
( H2S, CO2, CO ).
a. Tách bụi.
- Hỗn hợp khí ra khỏi các lò chế hóa chứa nhiều bụi, tro và cả dầu
máy. Người ta dùng máy lắng bụi li tâm, rửa qua nước, qua lọc điện
để giữ tạp chất cơ học lại.
b. Tách H2S.

- Thường dùng các hợp chất hấp thụ được S, ví dụ: bazo hữu cơ, sắt
hidroxit…
c. Tách khí cacbon oxit.
-
Hàm lượng khí cacbon oxit trong khí tổng hợp phải dưới 0,001-
0,002%. Thường dùng pp amoniac, dùng muối đồng axetat trong
nước amoniac để hấp thụ.
Cu(NH3)nOOCH3 + CO = Cu(NH3)nOOCH3
-
Khí thoát ra trong quá trình tái sinh chứa 62%CO, 27-28%CO2,
12-13%(N2+H2) được đưa lại thiết bị chuyển hóa CO.
-
Rửa tiếp khí tổng hợp bằng dung dịch kiềm, sau khi rửa khí tổng
hợp chỉ còn 0,0005-0,001%CO2
d. Chuyển hóa CO thành CO2
-
Dùng hơi nước để chuyển hóa, đồng thời tái tạo thêm H2 cho
hỗn
CO + H2O Fe2O3 450-500C CO2 + H2 ∆H <
0
e. Tách CO2
-
Dùng nước để hấp thụ CO2, gia nhiệt nước có hòa tan CO2 để
thu hết CO2 cho quá trình khác. Để hấp thụ hoàn toàn người ta
dùng các dung dịch kiềm.
2.2 Cơ sở lí thuyết tổng hợp NH3
Quá trình tổng hợp NH3 diễn ra theo phản ứng:
N2 + 3H2 = NH3 ∆H < 0
Đặc điểm của phản ứng: Là phản ứng thuận nghịch, tỏa
nhiệt, giảm thể tích, cần xúc tác

* Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
- Nhiệt độ:
Nhiệt độ thuận lợi cho phản ứng: khoảng 450°C
Khi tăng nhiệt độ: ban đầu tốc độ phản ứng tăng dần, hệ
nhanh đạt đến trạng thái cân bằng, sau cân bằng chuyển
dịch theo chiều nghịch (đây là phản ứng tỏa nhiệt)
Ở nhiệt độ thấp dưới 400°C không thuận lợi cho phản ứng
do tốc độ phản ứng nhỏ.
- Áp suất
•
Tăng áp suất cân bằng dịch chuyển theo chiều tạo ra NH3
có lợi cho sản xuất và hiệu suất cũng cao hơn.
•
Thực tiễn: Có thể thực hiện phản ứng ở áp suất từ 100 – 150
at hoặc trung bình từ 250 – 600at hoặc ở áp suất cao 600 –
1000at.
•
Vì hiệu suất chuyển hóa nito thành NH3 thấp, N2 và H2
chưa tham gia phản ứng phải quay trở lại tháp tổng hợp
nhiều lần,nên tỉ lệ H2 và N2 được giữ đúng như phương
trình 3:1. NH3 sau khi tạo thành cần được tách ra để cân
bằng luôn luôn dịch chuyển theo chiều thuận.
-
Chất xúc tác
•
Phản ứng sẽ không xảy ra nếu không có xúc tác thích hợp
dù nhiệt độ cao và áp suất cao. Chất xúc tác cho phản ứng
có thể là một số kim loại như Fe, Pt, Mn,… Trong công
nghiệp người ta thường dùng xúc tác là Fe (dạng ban đầu là
hỗn hợp FeO và Fe2O3 có thêm phụ các oxit KL khác như

Al2O3 , CaO,… )
2.3 Tháp tổng hợp amoniac


-
Phần trên là hộp xúc tác với các
ống truyền nhiệt
-
Phần dưới là thiết bị truyền nhiệt.
-
Hỗn hợp khí tổng hợp đi vào phía
trên tháp qua không gian giữa thân
tháp (1) và hộp xúc tác (2) vòng qua
thiết bị (3) ra thiết bị truyền nhiệt thì
nhiệt độ là 350 ® 370°C. Sau đó khí đi
theo ống trung tâm (4) lên phía trên
của hộp xúc tác và đi vào các ống kép
(5) đặt trong lớp xúc tác, nhiệt độ tăng
450 ®770 rồi đi xuống ra khỏi tháp.
Khí bổ sung nhằm mục đích ổn định
nhiệt độ của xúc tác khoảng 500°C.
2.4 Dây chuyền tổng hợp amoniac
Kĩ thuật sản xuất axit nitric
1. Khái niệm chung
-
Đầu thế kỉ XVII, người ta sản xuất HNO3 bằng cách cho
H2SO4 tác dụng với diêm tiêu.
-
Đầu thế kỉ XX, người ta dùng phương pháp hồ quang điện
để cho nito tác dụng trực tiếp với oxi để tạo thành NO .

-
Từ khi tổng hợp được NH3 từ N2 và H2 thì người ta đều
sản xuất HNO3 từ amoniac.
Quá trình này bao gồm ba bước

Oxi hóa NH3 thành NO
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
Oxi hóa NO thành NO2
2NO + O2 = 2NO2
Hấp thụ NO2 để được dung dịch HNO3 nồng độ khoảng 50%
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
Sơ đồ sản xuất HNO3 ở áp suất thường:

1
2 3 4
5
6
NH3
Không
khí
Nước
Hơi
H2O
HNO
3
Na2CO3
Na2CO
3
Khí
thải

2.Cơ sở lí thuyết
1.Oxi hóa amoniac
Amoniac có thể được oxi hóa theo 3 phản ứng sau, với hằng số cân bằng Kp
tính ở 900◦C:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6 H2O + 907KJ Kp = 1053 (a)
4NH3 + 4O2 = 4N2O + 6 H2O + 1105KJ Kp = 1061 (b)
4NH3 + 3O2 = 4N2 + 6 H2O + 1207KJ Kp = 1067 (c)
Trong thực tế cả 3 phản ứng đều một chiều, và vì thế tương quan giữa tốc độ
các phản ứng quyết định hướng của quá trình
1.1 Xúc tác
-
Chất xúc tác thích hợp nhất là platin. Trong thực tế sản
xuất người ta sử dụng hợp kim platin với roi và paladi (Pt –
95%, Rh – 3%, Pd – 2%)
-
Cơ chế của phản ứng xúc tác biễu diễn trên hình: