ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XỬ LÝ KHÍ THẢI THU HỒI KHÍ NH3.DOC

Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46

Mục lục
Lời nói đầu 5
Phần I.Tổng quan 7
Chơng I. Ô nhiễm không khí do khí thải trong công nghiệp hoá chất 7
I.Các nguồn gây ô nhiễm khí trong công nghiệp sản xuất hoá chất 7
1.Công nghiệp sản xuất axit Sunfuric 7
2.Công nghiệp sản xuất axit Nitric 8
3.Công nghiệp sản xuất giấy 8
4.Công nghiệp sản đồ nhựa 9
5.Công nghiệp lọc hoá dầu 9
6.Công nghiệp sản xuất phân bón 10
7.Công nghiệp sản xuất xi măng 10
8.Công nghiệp sản xuất lu huỳnh 10
II.Lợng hơi và khí độc hại rò rỉ từ các thiết bị công nghệ 11
III.Tác hại của các chất gây ô nhiễm khí 15
1.Khí CO 15
2.Khí Nitơ oxit 16
3.Khí SO2 17
4.Khí H
2
S 17
5.Khí Clo 18
6.Khí Amoniac 18
IV.Một số phơng pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất 19
1. Một số phơng pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất 19
2. Phơng pháp hấp thụ xử lý khí thải chứa NH
3
22
a.Nguyên lý quá trình 22

b.Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình 23
Chơng II.Công nghệ sản xuất NH
3
24
I.Lịch sử phát triển của công nghệ tổng hợp NH
3
24
II.Giới thiệu chung về quá trình tổng hợp Amoniac 24
III.Tính chất của Amoniac 25
IV.Cơ sở lý luận quá trình tổng hợp NH
3
27
V.Dây chuyền sản xuất NH
3
33
VI.Thuyết minh lu trình công nghệ 36
Đào Xuân Huần Trang 3
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Chơng III.Tính cân bằng vật chất của quá trình phóng không 38
I.Cân bằng vật chất cho tháp tổng hợp NH
3
40
II.Cân bằng vật chất cho thiết bị làm lạnh bằng H
2
O 43
III.Cân bằng vật chất cho quá trình phóng không 47
IV.Tính cân bằng vật chất cho quá trình phóng không theo
năng suất phân xởng 51
Phần II. Quá trình xử lý và thu hồi NH
3

trong khí phóng không 53
Chơng I. Lập luận tính kinh tế của quá trình xử lý và
thu hồi NH
3
trong khí phóng không 53
Chơng II. Dây chuyền công nghệ quá trình hấp thụ NH
3

trong khí phóng không 54
Chơng III.Tính toán quá trình hấp thụ NH
3
trong khí
phóng không 56
I.Tính toán thiết bị chính 56
II.Tính toán cơ khí 66
III.Tính toán thiết bị phụ 75
IV.Tính cân bằng nhiệt lợng cho quá trình hấp thụ 88
V.Tính cân bằng vật chất cho quá trình nhả hấp thụ 90
Kết luận 91
Tài liệu tham khảo 92
LờI NóI ĐầU
Bảo vệ môi trờng là một vấn đề sống còn của đất nớc , của nhân loại,
là nhiệm vụ có tính xã hội sâu sắc , gắn liền với cuộc đấu tranh xóa đói giảm
nghèo của mỗi nớc , với cuộc đấu tranh vì hòa bình và tiến bộ xã hội trên
phạm vi toàn thế giới
Đó là lời mở đầu của Bản chỉ thị số 36-CT/TW ngày 25/6/1998 của Bộ
Chính trị Ban Chấp hành Trung ơng Đảng Cộng Sản Việt Nam khoá 8
Quán triệt tinh thần và nội dung của chỉ thị nêu trên , từ đó cho đến nay
công tác bảo vệ môi trờng, chống suy thoái môi trờng trong mọi lĩnh vực đời
sống, công nghiệpđã và đang đợc các ngành các cấp , mọi ngời dân, mọi cơ

sở sản xuất công nghiệp hết sức quan tâm .
Đào Xuân Huần Trang 4
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Mặc dù vậy môi trờng nói chung và môi trờng không khí nói riêng, đặc
biệt tại các khu công nghiệp vẫn có những dấu hiệu ô nhiễm đáng lo ngại .
Phần lớn các nhà máy xí nghiệp cha đợc trang bị hoặc trang bị thiếu đồng bộ
các hệ thống xử lý khí thải, bụi, nớc thải và hàng ngày thải vào bầu khí quyển
một lợng khổng lồ các chất độc hại gây ô nhiễm nghiêm trọng cả một vùng
rộng lớn quanh nhà máy.
Do đặc thù của công nghiệp hoá chất, khí thải của các nhà máy hoá chất
còn chứa rất nhiều các khí độc hại và nồng độ của chúng vợt nhiều lần tiêu
chuẩn cho phép. Theo tính chất hoá lý ngời ta phân loại khí thải làm hai
nhóm : Nhóm vô cơ bao gồm các khí SO
2
, SO
3
, H
2
S , CO , CO
2
, NO
X
, NH
3
,
HCl , H
2
SO
4
, HFNhóm hữu cơ bao gồm : Benzen , butan , axeton , các axit

hữu cơ , các dung môi hữu cơ.
Tuỳ theo thành phần và khối lợng khí thải để tiến hành một phơng pháp
xử lý phù hợp, đảm bảo kỹ thuật xử lý và tính kinh tế của phơng pháp đó . Khi
lựa chọn thiết bị làm sạch khí thải cần phải tính đến hiệu quả làm sạch, những
chi phí đầu t ban đầu , những chi phí trong quá trình vận hành , tuổi thọ của hệ
thống xử lý, đơn giản trong vận hành , dễ dàng kiểm tra sửa chữa , chi phí điện
năng hợp lý
Trong nội dung thiết kế tốt nghiệp này, em đã tiến hành tính toán, thiết
kế hệ thống xử lý , thu hồi khí NH
3
trong khí phóng không của nhà máy sản
xuất NH
3
. Dù đã hết sức cố gắng nhng bản tính toán và thiết kế còn nhiều
hạn chế , em rất mong đợc các thầy cô hớng dẫn chỉ bảo thêm.
Sinh viên Đào Xuân Huần
Đào Xuân Huần Trang 5
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Phần i.Tổng quan
Chơng I. Ô nhiễm không khí do khí thải trong công
nghiệp hoá chất.
I.Các nguồn gây ô nhiễm trong công nghiệp hoá chất
Công nghệ hoá chất bao gồm rất nhiều loại nhà máy, sản xuất ra rất
nhiều loại sản phẩm khác nhau, phục vụ cho đời sống,
công nghiệp, quốc phòng, và do đó về khía cạnh ô nhiễm khí cũng có rất
nhiều vấn đề chuyên môn riêng biệt và đa dạng
Một số nguồn ô nhiễm khí điển hình trong công nghệ hoá chất nh sau:
1.Công nghiệp sản xuất Axit sunfuric
Axit sunfuric H
2

SO
4
có thể đợc sản xuất từ lu huỳnh đơn chất ( S có thể
đợc thu từ khí đốt thiên nhiên), từ Sunfua Sắt, quặng FeS
2
, phản ứng xảy ra
nh sau:
Từ lu huỳnh S + O
2
SO
2
Từ quặng Pirit 4 FeS
2
+ 110
2
2 Fe
2
O
3
+ 8SO
2

Sunfua đioxit thu đợc từ quá trình nung đốt trên đây thờng có hàm lợng
từ 8 ữ 44% đợc cho tiếp xúc với chất xúc tác ở nhiệt độ 450
0
C để oxi hoá SO
2
.
2 SO
2

+ O
2
2 SO
3
Tiếp theo SO
3
đợc hấp thụ bởi H
2
SO
4
loãng để đạt đợc độ đậm đặc theo
yêu cầu:
SO
3
+ H
2
O H
2
SO
4
Đào Xuân Huần Trang 6
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Trong thiết bị oxi hoá xúc tác nhiều lớp (4 ữ 5 lớp) tỷ lệ SO
2
đợc
chuyển hoá là 96 ữ 98%, phần còn lại đợc phát thải vào khí quyển. Đối với
nhà máy công suất 1500 tấn H
2
SO
4

/ ngày, lợng phát thải ( nhờ nâng cao hiệu
quả chuyển đổi ) có thể hạ xuống từ 44 xuống 4 tấn / ngày, từ đó làm tăng
thêm 54 tấn H
2
SO
4
/ ngày
Nồng độ SO
2
trong khi thải của dây chuyền sản xuất H
2
SO
4
hiện đại có
thể đạt 1,33g/ m
3
.
2.Công nghệ sản xuất axit nitric: HNO
3
Phơng pháp phổ biến để điều chế axit nitric là đốt có xúc tác Amôniac
trong không khí. Các phản ứng xảy ra nh sau:
4NH
3
+ 5 O
2
4 NO + 6 H
2
O

+ Q

2NO + O
2
2 NO
2
+ Q
3NO
2
+ H
2
O

2HNO
3
+ NO + Q
Chất ô nhiễm phát thải vào khí quyển chủ yếu là NO
2
(nồng độ phát
thải ở ống khói dao động ở khoảng 1500 ữ 3000ppm), ngoài ra còn có NO,
NH
3
. Công nghệ tiên tiến đã cho phép hạ nồng độ khí NO
x
phát thải xuống
còn 300 ppm
3.Công nghiệp sản xuất giấy
Chất gây ô nhiễm chủ yếu thoát ra từ công nghiệp sản xuất giấy là khí
SO
2
, H
2

S, mùi hôi thối , buồn nôn . Giấy là sản phẩm thu đợc bằng cách ép
các lớp sợi Xenlulozơ. Nguyên liệu làm giấy là gỗ. Dăm gỗ đợc ngâm và nấu
dới áp suất cao trong xút (NaOH) và natri sunfua (NaS)
Kết quả là thu đợc dung dịch bột giấy màu đen có chứa một lợng nhỏ
các chất H
2
S và các hợp chất Sunfua hữu cơ tạo ra mùi hôi thối khó chịu.
Ngoài ra khi hoàn nguyên dung dịch nấu bột giấy để tái sử dụng bằng
cách cho bốc hơi, cặn bã đợc đốt trong các lò đặc biệt để tạo thành tro
natrisunfit Na
2
SO
3
và natri cacbonnat Na
2
CO
3
. Trong quá trình này thoát ra
nhiều khí H
2
S và các chất CH
3
HS , (CH
3
)
2
S , (CH
3
)
2

S
2
có mùi hôi thối khó chịu
đặc trng cho công nghiệp giấy.
Đào Xuân Huần Trang 7
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
4.Công nghiệp sản xuất đồ nhựa:
Công nghiệp sản xuất gia công đồ nhựa tuy không phải là các nguồn ô
nhiễm lớn, tuy nhiên lại rất đa dạng do sự khác nhau trong dây chuyền sản
xuất, nguyên liệu, máy móc thiết bị.
Tại công đoạn chế biến: Polime hoá các nguyên liệu ban đầu (mônôme)
đợc tiến hành trong các thùng kín, nguy cơ gây ô nhiễm hầu nh bị triệt tiêu.
Khi sửa chữa các loại thùng chứa, đồ nhựa polime, khi dọn dẹp các thiết
bị phản ứng có thể làm bốc ra một số hơi, khí có mùi gây khó chịu, dị ứng,
nhất là cho công nhân vận hành giai đoạn này.
Tại công đoạn ép khuôn: Để tạo ra sản phẩm có chất lợng cao, ngời ta
đã trộn vào polyme nhiều loại phụ gia có tính độc hại cao nh các khoáng chất
có gốc Chì, Cadimi rất độc hại cho sức khoẻ.
5.Công nghệ lọc hoá dầu
Công nghệ chế biến dầu mỏ đã có những bớc phát triển mạnh mẽ từ
nhiều thập kỷ trớc. Giai đoạn đầu của quá trình lọc dầu là quá trình chng áp -
phân ly dầu thô ra thành nhiều cấp có tỷ trọng khác nhau - đó là quá trình
Cracking. Một số sản phẩm thu đợc sau quá trình cracking có thể sử dụng
ngay, phần còn lại đòi hỏi phải chế biến tiếp.
Khí thải của nhà máy lọc dầu gồm có:
a. Hơi Hidrocacbon rò rỉ từ các khe hở , nắp đậy không kín của thiết bị,
thùng chứa.
b. Khí thải của các lò nung, bếp đun, vòi đốt sử dụng cho qúa trình chng
cất, trong đó có SO
2

do đốt các tạp chất có S
c. Khí có chứa các hợp chất của S nh H
2
SO
4
thoát ra từ các tầng của
tháp chng cất , khí thải của các hợp chất của S từ phần cất đợc.
d. Bụi với thành phần có hạt rất mịn thoát ra từ các quá trình hoàn
nguyên các chất xúc tác. Đây là chất gây ô nhiễm chủ yếu của nhà máy lọc
dầu.
Đào Xuân Huần Trang 8
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
6.Công nghiệp sản xuất phân bón ( phân đạm, phân Supephotphat)
Công nghiệp sản xuất phân bón gốc nitơ gây ô nhiễm không khí bởi các
khí CO, H
2
S, SO
2
, NH
3
.
Sản xuất phân Supephotphat đợc tiến hành theo phơng pháp cho axit
Sunfuric tác dụng với Phốt phát thiên nhiên (quặng apatit,phôtphat canxi )
.Trong quặng luôn có thành phần flo ( 1 %) . Các hợp chất chứa flo phản ứng
với H
2
SO
4
và thải ra HF và SiF
4

. Lợng phát thải các khí độc hại nhiều nhất ở
công đoạn làm đông đặc bằng cách thổi không khí và axit photphoric. Không
khí thoát ra từ các quá trình này có chứa khoảng 10 g/m
3
flo. Sau khi lọc sạch
khí thải nồng độ khí flo có thể giảm xuống còn 0,2 g/m
3
.
7.Ô nhiễm không khí trong công nghiệp sản xuất xi măng
Chất gây ô nhiễm chủ yếu là bụi. Bụi thoát ra môi trờng xung quanh từ
các công đoạn sau đây:
Vận chuyển và chứa kho các loại vật liệu nh đá vôi, đất sét , phụ gia.
Nếu thao tác quá trình với nguyên liệu ẩm thì bụi toả ra sẽ đợc giảm thiểu
đáng kể.
Sấy và nung: Toả nhiều bụi và khí SO
2
có nguồn gốc từ nhiên liệu
Nghiền và trữ Klinker gây toả bụi
8.Ô nhiễm không khí trong công nghiệp sản xuất S
Lu huỳnh (S) đợc sản xuất trên cơ sở điện phân các muối alcalin (kim
loại kiềm: liti, natri, kali) trong dung dịch nớc hoặc ở trạng thái nung chảy.
Nguy cơ gây ô nhiễm không khí thờng do Cl
2
, HCl bị thải ra ống khói.
Bảng1. Các chất khí, bụi độc hại thải ra từ các nhà máy hoá chất.
TT Nhà máy Các chất khí độc hại thải ra
1 HNO
3
NO, NO
2

, NH
3
2 HCl HCl , Cl
2
Đào Xuân Huần Trang 9
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46

3 H
2
SO
4
+ Sản xuất theo phơng pháp N
2
+ Phơng pháp tiếp xúc từ S
SO
2
, SO
2
, H
2
S, SO
2
, NH
3
.
NO, NO
2
, NH
3
, SO

2
, Fe
2
O
3
(bụi)
HCl , Cl
2
4 NH
3
CO, CO
2
, H
2
S,

SO
2
, NH
3
5 Phân bón tổng hợp NO, NO
2
, NH
3
, HF, H
2
SO
4
, P
2

O
5
,
HNO
3
6 Supe Photphat H
2
SO
4
, HF, bụi Supephotphat
7 Nớc NH
3
NH
3
8 Photpho và axit Photphoric
P
2
O
5
, H
2
SO
4
, HF, Ca
3
F( PO
4
) (bụi)
9 Metanol CH
3

OH

, CO
10 Axetylen CH2=CH2, mồ hóng
11 Cl
2
HCl, Cl
2
12 Sợi nhân tạo H
2
S, CS
2
13 Cacbamit NH
3
, CO , (NH
3
)
2
CO (bụi)
II.Lợng hơi và khí thải độc hại rò rỉ từ các thiết bị công nghệ.
Trong công nghiệp hoá chất luôn luôn có một hệ thống bình chứa, thiết
bị có dung tích, đờng ống áp lực cao Từ các thiết bị trên luôn luôn có một l-
ợng khí của chất chứa bên trong thiết bị thoát ra ngoài qua khe hở, bích nối
làm ô nhiễm bầu không khí bên trong phân xởng nếu các thiết bị đặt trong
nhà hoặc làm ô nhiễm bầu khí quyển nếu thiết bị, đờng ống đặt ngoài trời.
Để có thể bảo vệ môi trờng, an toàn lao động các thiết bị áp lực cần
phải đợc thử nghiệm về độ kín và cho phép có một độ không kín nhất định đợc
tiêu chuẩn hoá tuỳ thuộc vào mức độ độc hại hoặc nguy hiểm cháy nổ của môi
chất chứa bên trong thiết bị.
Để kiểm soát đợc ô nhiễm do các nguồn phát thải dạng trên, cần xác

định lợng hơi, khí thoát ra qua khe hở của thiết bị cao áp.
Độ hở của thiết bị đờng ống xác định nh sau:
h =









21
12
1
1
TP
TP

Với h: Độ hở, h
-1
P
1
, P
2
: áp suất tuyệt đối ban đầu và cuối cùng của thời gian thử nghiệm
T
1
, T
2

: Nhiệt độ tuyệt đối ban đầu và cuối thời gian thử nghiệm
: Thời gian thử nghiệm , h
Đào Xuân Huần Trang 10
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Nếu nhiệt độ và áp suất khí quyển không thay đổi trong suốt thời gian
thử nghiệm thì
h =
1
.
1
P
P

P : Độ sụt áp suất trong thời gian thử nghiệm
h: độ hở ,h
-1
h đợc tiêu chuẩn hoá cho các thiết bị công nghệ khác nhau.
Lợng hơi, khí rò rỉ từ các thiết bị công nghệ
G =








=

2

2
1
121
1
RT
VP
RT
VPGG

Nếu T
1
= T
2
= T
G =
1
.
.
RT
VP


Rút trị số P từ trên ta có
G = h.
RT
P
1
V.
Với: G: Lợng hơi, khí rò rỉ từ thiết bị , Kg/ h
V: Dung tích thiết bị , m

3
R: Hằng số chất khí trong thiết bị , J/ Kg. K
Trong công thức trên P
1
/RT chính là khối lợng đơn vị
1
(kg/m
3
) của
khí chứa trong thiết bị ứng với áp suất và nhiệt độ làm việc , do đó ta có thể
viết công thức trên dới dạng:
G=h.
1
.V , kg/h
Công thức trên cho phép xác định lợng khí rò rỉ nếu thiết bị đợc thử độ
kín bằng chính loại khí làm việc của nó.
Tiêu chuẩn Việt Nam 3959 - 1995. Chất lợng khí - Tiêu chuẩn khí
thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ
1. Phạm vi áp dụng
a. Tiêu chuẩn này quy định giá trị nồng độ của các chất vô cơ và bụi
trong khí thải công nghiệp (tính bằng mg/m
3
khí thải) vào không khí xung
quanh.
Đào Xuân Huần Trang 11
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Khí thải công nghiệp nói trong tiêu chuẩn này là khí và khí có chứa bụi
do các quá trình sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, và do các hoạt động khác tạo
ra.
b.Tiêu chuẩn này áp dụng để kiểm soát nồng độ các chất vô cơ và bụi

có trong khí thải công nghiệp trớc khi thải vào môi trờng
2. Bảng 2.Giá trị giới hạn cho phép của bụi trong khí thải công
nghiệp (mg/m
3
)
TT Thông số Giá trị giới hạn (A) Giá trị giới hạn (B)
1 Khói bụi: - Nấu kim loại
- Bê tông nhựa
- Xi măng
-Các nguồn khác
400
500
400
600
200
200
100
400
2 Bụi: - Chứa Silic
- Chứa amiăng
100
không
50
không
3 Antimon 40 25
4 Asen 30 10
5 Cadimi 20 1
6 Chì 30 10
7 Đồng 150 20
8 Kẽm 150 30

9 Clo 250 20
10 HCl 500 200
11 Fl, axit HF các nguồn 100 10
12 H
2
S 6 2
13 CO 1500 500
14 SO
2
1500 500
15
NO
X
(các nguồn) 2500 1000
16 NO
x
(Cơ sở axit) 4000 1000
17 H
2
SO
4
(các nguồn) 300 35
18 HNO
3
2000 70
19 Amoniac 300 100
Đào Xuân Huần Trang 12
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Ghi chú: Phơng pháp lấy mẫu, phân tích, tính toán xác định từng thông
số cụ thể đợc quy định trong các tiêu chuẩn Việt Nam tơng ứng

Giá trị giới hạn A: áp dụng cho các cơ sở đang hoạt động.
Giá trị giới hạn ở cột B : áp dụng cho tấc cả các cơ sở kể từ ngày cơ
quan quản lý môi trờng quy định
Đối với khí thải của một số hoạt động sản xuất, kinh doanh dịch vụ đặc
thù, khí thải vào khí quyển theo các quy định riêng.
III.Tác hại của các chất gây ô nhiễm khí
Lợng không khí mà cơ thể cần cho sự hô hấp hàng ngày của một con
ngời vào khoảng 10 m
3
, do đó nếu trong không khí có lẫn nhiều chất độc hại
đó sẽ tạo điều kiện cho chúng xâm nhập sâu vào cơ thể, gây ra những hậu quả
rất nghiêm trọng cho tính mạng và sức khoẻ con ngời.
1.Khí CO:
Cácbonoxit CO là một loại khí độc do nó có phản ứng rất mạnh (có ái
lực) với hồng cầu trong máu và tạo ra cacboxy hemoglobin (COHb) làm hạn
chế sự trao đổi và vận chuyển oxy trong máu đi nuôi cơ thể.
Tuy nhiên khí CO không để lại hậu quả bệnh lý lâu dài hoặc gây ra
khuyết tật nặng nề đối với cơ thể.
Ngời bị nhiễm CO khi rời khỏi nơi ô nhiễm, nồng độ CO-Hb trong máu
giảm dần do CO đa thải ra ngoài qua đờng hô hấp.
Đào Xuân Huần Trang 13
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Bảng 3 . Triệu chứng của cơ thể ứng với nồng độ COHb trong máu
TT Triệu chứng
% COHb
trong máu
1 Không có dấu hiệu gì < 1,0
2 Một vài biểu hiện không bình thòng trong thái độ
ứng xử
1,0 - 2,0

3 ảnh hởng đến hệ thần kinh trung ơng, kém nhạy
cảm, giác quan, kém phân biệt độ sáng, rối loạn tâm
lý
2,0 ữ 5,0
4 Chức năng tim phổi bị ảnh hởng
5,0 ữ 10
5 Đau đầu nhẹ, giảm mạch máu ngoại vi
10 ữ 20
6 Đau đầu, mấp máy thái dơng
20 ữ 30
7 Đau đầu nhiều, mệt mỏi , hoa mắt, chóng mặt, buồn
nôn, nôn mửa, suy sụp
30 ữ 40
8 Suy sụp, ngất, mạch và nhịp thở chậm dần
40 ữ 50
9 Ngất, giảm mạch đập và nhịp thở, co giật từng cơn
50 ữ 60
10 Hôn mê, co giật từng cơn, tim mạch suy giảm, nguy
cơ chết
60 ữ 70
11 Mạch yếu, thở chậm, yếu dần và tắt thở sau vài giờ
70 ữ 80
12 Chết trong vòng 1 tiếng
80 ữ 90
13 Chết trong vòng vài phút > 90
2. Khí Nitơ oxit NO
x
Có tất cả 6 loại Nitơ oxit: N
2
O, NO , NO

2
, N
2
O
3
, N
2
O
4
, N
2
O
5
. Trong số
đó NO
2
là đáng chú ý nhất về mức độ độc hại .
Nitơ oxit đợc biết đến nh là một chất gây kích thích viêm tấy và có tác
hại đối với hệ thống hô hấp. Tại nơi làm việc của công nhân có ô nhiễm khí
NO
x
có nồng độ < 3 ppm thì tác hại của NO
x
có thể thấy rõ sau 3 ữ5 năm.
Hiện nay khí NO
x
đợc coi là chất độc hại tiềm tàng gây lên bệnh viêm xơ phổi
mãn tính.
Bảng 4: Tác hại của NO
2

phụ thuộc vào nồng độ và thời gian tiếp xúc
Nồng độ NO
2
ppm Thời gian tiếp xúc
500
48 giờ Chết ngời
300 ữ400 2 ữ 10 ngày
Gây viêm phổi và chết
150 ữ 200 3 ữ 5 tuần
Viêm xơ cuống phổi
50 ữ 100 6 ữ 8 tuần
Viêm cuống phổi và màng
phổi
3. Khí SO
2
:
Đào Xuân Huần Trang 14
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Khí SO
2
là loại khí dễ hoà tan trong nớc và đợc hấp thụ hoàn toàn rất
nhanh khi hít thở ở đoạn trên của đờng hô hấp. Khi hít thở không khí có chứa
SO
2
với nồng độ thấp ( 1- 5 ppm) sẽ thấy xuất hiện sự co thắt tạm thời các cơ
mềm của khí quản, ở nồng độ 5 ppm - cơ thể có biểu hiện bệnh lý rõ ràng khó
thở , tức lồng ngực. Khi nồng độ > 10 ppm thì đờng hô hấp bị co thắt nghiêm
trọng.
4. Khí H
2

S.
Khí H
2
S là loại khí không màu , dễ cháy và có mùi đặc biệt giống mùi
trứng ung. Tại các khu công nghiệp các nhà máy hoá chất có công đoạn đốt S,
nồng độ H
2
S trong không khí có thể lên đến 0,13 pmm. Ngỡng nhận biết mùi
của H
2
S dao động trong khoảng 0,0005 ữ 0,13 ppm. ở nồng độ 10 ữ 20 ppm
thì H
2
S làm chảy nớc mắt, viêm mắt. Khi hít thở phải khí H
2
S sẽ gây xuất tiết
nớc nhầy và gây viêm toàn bộ tuyến hô hấp, ở nồng độ > 150 ppm , H
2
S gây tê
liệt cơ quan khứu giác.
Đào Xuân Huần Trang 15
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
5.Khí Clo.
Đây là loại khí màu vàng xanh, có mùi hăng cay và gây tác hại đối với
mắt, da và đờng hô hấp. Hít thở không khí ô nhiễm, bởi khí Clo ta cảm thấy
khí thở, bỏng rát da, cay đỏ mắt và nhìn bị mờ.
Bảng 5.Tác hại của khí Clo ở các nồng độ khác nhau:
Nồng độ khí Clo trong Tác hại đối với cơ thể
0,5 Có mùi nhẹ, không gây tác hại
1 ữ 3

Mùi khó chịu, gây chảy nớc mắt, mũi, viêm mắt
mũi
6 Viêm cổ họng
30 Ho, đau rát, cổ họng
40 ữ 60
Tổn thơng phổi nghiêm trọng nếu tiếp xúc trực
tiếp 30 ữ 60 phút
100 Gây chết ngời
1000 Chết sau vài nhịp thở
6. Khí NH
3
Amoniac có thể có trong không khí dới dạng lỏng và khí
Đây là loại khí không màu, có mùi hắc, khai. Tác hại chủ yếu của nó là
làm viêm da và đờng hô hấp. Mùi amôniac có thể nhận biết đợc ở nồng độ 5
ữ10 ppm, ở nồng độ 150 ữ200 ppm gây khó chịu và cay mắt , ở nồng độ 400 ữ
700 ppm gây viêm mắt, mũi , tai , họng một cách nghiêm trọng, ở nồng độ
2000 ppm da bị cháy bỏng ngạt thở và tử vong sau vài phút.
IV.Một số phơng pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất.
1.Một số phơng pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất.
Khí thải của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp còn chứa rất nhiều
chất độc hại vợt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép. Tùy theo thành phần và khối l-
ợng khí thải mà ta chọn phơng pháp xử lý phù hợp đảm bảo kỹ thuật xử lý và
tính kinh tế của phơng pháp. Khi lựa chọn thiết bị làm sạch khí thải cần phải
tính đến hiệu quả làm sạch, những chi phí đầu t ban đầu, những chi phí trong
Đào Xuân Huần Trang 16
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
quá trình vận hành, tuổi thọ của hệ thống xử lý, đơn giản trong vận hành, dễ
kiểm tra, sửa chữa, diện tích chiếm chỗ hợp lý, chi phí điện năng ở mức tối u.
a.Phơng pháp hấp thụ
Xử lý các chất độc hại có trong khí thải bằng phơng pháp hấp thụ (hút

thu và hoà tan) đợc sử dụng nhiều khi lu lợng dòng khí thải lớn và nồng độ các
khí độc hại cao. Ngoài ra khi áp dụng phơng pháp này có thể đạt hiệu quả
kinh tế cao và có thể thu hồi các chất để sử dụng tuần hoàn hoặc chuyển sang
công đoạn sản xuất sản phẩm khác.
Sự hấp thụ là quá trình hút thu chọn lọc một hay một số thành phần của
hỗn hợp khí bằng chất hút thu thể dịch , chất hút thu thể dịch này gọi là chất
hấp thụ.
Quá trình hấp thụ có thể chia thành hấp thụ vật lý và hấp thụ hoá học.
Khi xảy ra hấp thụ vật lý những phần tử bị hấp thụ không đi vào những phần
tử hấp thụ, nghĩa là quá trình hấp thụ thành phần riêng bằng chất hấp thụ
không kéo theo phản ứng hoá học. Khi áp suất riêng phần của khí thành phần
có trong hỗn hợp khí cao hơn áp suất cân bằng trên bề mặt dịch thì quá trình
hấp thụ tiếp tục. Khi hấp thụ hoá học những thành phần bị hấp thụ sẽ tác động
tơng hỗ hoá học với các phân tử hoạt tính của chất hấp thụ và tạo thành hỗn
hợp hoá học mới . Khi này áp lực cân bằng của khí thành phần trên bề mặt
dung dịch ít hơn một chút so với sự hấp thụ vật lý và nó có khả năng tách ra
hoàn toàn khỏi dòng khí thải.
Sự phối hợp hấp thụ và khử hấp thụ cho phép sử dụng thời gian dài mà
không bị tiêu hao dịch hấp thụ trong một vòng kín hấp thụ-khử hấp thụ-hấp
thụ và nhận đợc thành phần bị hấp thụ ở dạng sạch.
b.Phơng pháp hấp phụ
Phơng pháp hấp phụ (hút bám) có ý nghĩa quan trọng khi cho phép lôi
cuốn các tạp chất khí độc hại ra khỏi khí thải.
Những chất hấp phụ đợc áp dụng để xử lý khí thải phải có bề mặt riêng
rất lớn và phải đáp ứng một số các yêu cầu sau:
Có khả năng hấp phụ lớn
Không tác dụng hoá học với các thành phần khí riêng biệt có trong khí
thải
Có tính chọn lọc cao
Có độ bền lớn

Có khả năng hoàn nguyên
Có giá thành hạ
Đào Xuân Huần Trang 17
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Một số chất hấp phụ đợc sử dụng phổ biến là : Than hoạt tính,
Silicagen, Aliumogen, Zeolit
Sự khử hấp phụ là một giai đoạn quan trọng của chu trình hấp phụ
khử hấp phụ. Đây là quá trình nhằm khôi phục lại hoạt tính vốn có của chất
hấp phụ và đây chính là quá trình hấp phụ ngợc.
c.Phơng pháp thiêu huỷ
Phơng pháp thiêu huỷ đợc áp dụng khi không có yêu cầu hoặc không có
khả năng thu hồi các khí sinh ra, phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi với các
khí không sinh ra độc hại thứ cấp. Ngoài ra còn có thể tận dụng đợc nhiệt của
các phản ứng.
Thiêu huỷ khi không có chất xúc tác đợc thực hiện khi đốt trực tiếp khí
thải ở nhiệt độ cao :800-1100
O
C. Phơng pháp này áp dụng với các khí thải có
nồng độ cao vợt quá giới hạn cho phép và nồng độ Oxy đủ lớn. Có thể thiêu
cháy khí thải ở trong các lò đốt khi cần tận dụng nhiệt toả ra.
Thiêu huỷ có chất xúc tác cần diện tích bề mặt lớn và nhiệt độ thiêu đốt
khoảng 200-300
o
C. Trong phơng pháp này sử dụng các bề mặt kim loại nh các
dải băng bạch kim , đồng, crom, nikenlàm chất xúc tác. Làm sạch khí thải
theo phơng pháp này có giá thành rẻ hơn so với thiêu đốt không có xúc tác.
Phơng pháp này thích hợp với các chất khí độc hại có nồng độ thấp gần giới
hạn bắt lửa.
d.Phơng pháp trao đổi ion.
Sự hấp thụ khí bằng trao đổi ion là sự hấp thụ phân tử. Khi này phản

ứng hoá học của phần tử khí với chất trao đổi ion đợc thực hiện, đồng thời còn
xảy ra sự hoà tan một số chất khí trong nớc (nếu nớc có trong chất trao đổi
ion). Những chất trao đổi ion có đồng thời tính chất của chất hấp phụ thể rắn
và tính chất của chất hấp phụ thể lỏng.
Thiết bị trao đổi ion áp dụng để làm sạch không khí khỏi những chất
độc hại khác nhau. Trong bộ lọc sử dụng những dải băng xuyên thông làm từ
những sợi trao đổi ion và đợc đặt trong khung. Những khung có băng lọc đợc
đặt trong vỏ thiết bị , có các ống nối đờng ra, đờng vào của dòng không khí.
Khả năng lu thông của dòng khí qua bộ lọc 7000 ữ 10 000 m
2
/ h cho
1m
2
bề mặt phin lọc, sức kháng khí động của dòng khí 200 ữ 300 Pa
Mức độ làm sạch không khí của loại thiết bị này rất cao 97 ữ 99%. Vật
liệu sợi trao đổi ion cho phép hoàn nguyên và sử dụng nhiều lần. Vật liệu này
có thể cho phép lấy ra một số khí độc hại có trong dòng khí thải trong cùng
một thời gian làm việc.
Đào Xuân Huần Trang 18
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
e.Phơng pháp ngng tụ:
Trong phơng pháp này sử dụng một chất lạnh trung gian để hạ thấp
nhiệt độ dòng khí thải tới nhiệt độ nhất định mà khi đó các khí thành phần ng-
ng đọng lại và tách dòng khí thải. Phơng pháp này thờng áp dụng với các dung
môi hữu cơ nh xăng, dầu, axeton, toluen.
Đào Xuân Huần Trang 19
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
f.Phơng pháp sinh hoá-vi sinh
Phơng pháp sinh hoá-vi sinh xử lý khí thải có ý nghĩa quan trọng trong
việc bảo vệ môi trờng sống quanh chúng ta. Phơng pháp này lợi dụng các vi

sinh vật trong môi trờng xung quanh (đất , nớc, không khí) để hấp phụ ,
phân huỷ các khí thành phần độc hại trong dòng khí thải. Ngoài ra các vi sinh
vật còn tiêu thụ một phần đáng kể các tạp chất có trong hỗn hợp khí, nhất là
khí thải của các nghành công nghiệp chế biến thực phẩm , nhà máy tổng hợp
hữu cơĐây là phơng pháp đơn giản tuy nhiên lại mang lại hiệu quả kinh tế
nhất định.
2.Phơng pháp hấp thụ xử lý khí thải có chứa NH
3
a. Nguyên lý quá trình
- Phản ứng xảy ra trong tháp hấp thụ.
NH
3K


NH
3L
(1)
NH
3l
+ H
2
O

NH
4
OH + Q (8430 KCal) (2)
NH
4
OH

NH
4
+
+OH



(3)
+ Phản ứng (1) đặc trng cho quá trình hoà tan NH
3
trong nớc, đó là quá
trình hoà tan vật lý tuân theo định luật Henry
33
.
NHNH
PHC =
3
NH
C
: Nồng độ của NH
3
trong dung dịch
H: Hằng số Henry

3
NH
P
: áp suất riêng phần của NH
3
trong pha khí

+ Phản ứng (2) là phản ứng hoá học thuận nghịch toả nhiệt, đặc trng
cho phản ứng là hằng số cân bằng K
c
.
K
c
=
[ ] [ ]
33
.
44
NHNH
PH
OHNH
C
OHNH
=
K
c
= F (t
0
,
3
NH
P
)
+ Phản ứng (3) là phản ứng điện ly đợc đặc trng bằng hằng số điện ly.
K
H
=

[ ]
[ ]
[ ]
OHNH
OHNH
4
4

+
Các giá trị K
c
, K
H
đợc tra trong các sổ tay hoá lý từ đó, có thể tìm đợc
3
NH
C
ở nhiệt độ bất kỳ.
Độ hoàn tan của NH
3
ở trong nớc là tổng số NH
3
ở các dạng.
Độ hoà tan = [NH
3l
] + [NH
4
OH] + [NH
4
+

]
Đào Xuân Huần Trang 20
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Kết luận: Độ hoà tan của NH
3
phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất riêng
phần của NH
3
trong pha khí.
b. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hấp thụ.
- Dung dịch NH
3
không ổn định, khi tăng nhiệt độ thì phản ứng xảy ra
theo chiều ngợc lại của phản ứng (2) vì vậy nếu ở áp suất nhất định khi nhiệt
độ giảm thì độ hoà tan tăng. áp dụng tính chất này để khống chế nhiệt độ , áp
suất trong quá trình hấp thụ và phát sinh NH
3
.
- Phản ứng hấp thụ của nớc và NH
3
là phản ứng thuận nghịch toả nhiệt
và giảm thể tích vì vậy ở điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao sẽ có lợi cho
phản ứng. Để giảm nhiệt độ của phản ứng trong thiết bị hấp thụ còn làm lạnh
gián tiếp bằng nớc.
P cao thì làm hiệu suất hấp thụ cao nhng P cao quá lại không tốt cho
quá trình.
Chơng II. công nghệ sản xuất NH
3
I. Lịch sử phát triển của công nghệ tổng hợp NH
3

Amôniac là sản phẩm chủ yếu của công nghiệp hoá học nói chung và
công nghệ sản xuất các hợp chất của Nitơ nói riêng. Nó là sản phẩm đầu để từ
đó tiến hành sản xuất các hợp chất khác của Nitơ nh các loại phân đạm chứa
Nitơ, HNO
3
.
Đến đầu thế kỷ 20, phơng pháp tổng hợp Amôniác mới đợc phát triển
theo quy trình công nghệ cụ thể . Năm 1913 , một nhà máy tổng hợp Amôniac
đầu tiên ra đời tại Đức.
Sau Đại chiến thế giới lần thứ nhất kỹ thuật tổng hợp Amôniắc đợc phổ
biến đến một loạt các quốc gia khác, những cải tiến quan trọng trong quá trình
tổng hợp đã đợc áp dụng, đặc biệt, kỹ thuật sản xuất Amôniac đã tiến tới bớc
Đào Xuân Huần Trang 21
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
tự động hoá một phần. Quy mô sản xuất đợc mở rộng, những nhà máy sản
xuất NH
3
và các chế phẩm NH
3
lần lợt ra đời.
Đến giai đoạn hiện nay, công nghệ tổng hợp NH
3
đã đạt đợc bớc tiến v-
ợt bậc với việc ứng dụng tin học, tự động hoá vào quá trình sản xuất. Với
nhiều loại dây chuyền tổng hợp khác nhau, trong đó nhiệt năng của quá trình
đã đợc tận dụng tối đa , giá thành sản xuất đã giảm đáng kể. Năm 1950 sản l-
ợng NH
3
trên toàn thế giới là 4 triệu 430 nghìn tấn, đến năm 1960 là 17 triệu
tấn, 1981 đã là 78 triệu 500 nghìn tấn.

II. Giới thiệu chung quá trình tổng hợp NH
3
Tổng hợp NH
3
tức là thực hiện phản ứng tổng hợp N
2
+3H
2
2NH
3
,
phản ứng thực hiện ở điều kiện nhiệt độ cao trong sự có mặt của xúc tác rắn.
Quá trình tổng hợp đi theo 3 bớc nh sau:
Bớc 1: Sản xuất khí nguyên liệu N
2
, H
2
, có thể lấy N
2
, H
2
từ các nguyên
liệu rắn (than hoặc cốc) , nhiên liệu lỏng (dầu), nhiên liệu khí (khí thiên nhiên
CH
4
). Hoặc bằng phơng pháp lạnh sâu phân ly không khí , điện phân H
2
O
Bớc 2. Tinh chế khí nguyên liệu :
Trong khí nguyên liệu thờng có chứa các tạp chất cơ học nh bụi, vẩy sắt

. Các tạp chất làm ngộ độc xúc tác nh H
2
S, CO, CO
2
O
2
, H
2
O. Do đó phải làm
sạch khỏi ăn mòn làm tắc thiết bị, đờng ống hay ngộ độc xúc tác.
Bớc 3. Tổng hợp NH
3
Sau quá trình tinh chế khí ta thu đợc hỗn hợp khí N
2
+ H
2
có tỷ lệ N
2
:H
2
=3:1, chứa [CO + CO
2
] 20 ppm đợc nén đến áp suất cần thiết rồi đa sang
phân xởng tổng hợp Amôniac .
Sơ đồ quá trình tổng hợp nh sau:

III. Tính chất của Amôniac.
Đào Xuân Huần Trang 22
Hỗn hợp khí
nguyên liệu N

2
,
H
2
,CO, CO
2
, H
2
S
Khử H
2
S
Chuyển hoá CO
Khử CO
2
Nén khí
Khử CO
Tổng hợp NH
3
20atm
300 atm
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
1.Tính chất vật lý:
ở nhiệt độ và áp suất thờng Amôniac là một chất khí không màu, mùi
khai, có tính kiềm.
Một số tính chất của Amôniac.
Tỷ trọng ở P = 1atm , t
0
thờng 0,771Kg/m
3

t
0
sôi ở P = 1atm - 33,35
0
C
t
0
tới hạn - 77,75
0
C
P tới hạn 111,5 atm
t
0
phân huỷ khi không có xúc tác 1200
0
C
khi có xúc tác 300
0
C
Tỷ nhiệt ở 25
0
C 8,523 cal/mol độ.
NH
3
hoà tan tốt trong H
2
O , 1 V
H2O
hoà tan 700 V
NH3

ở 20
0
C , 1 atm
2. Tính chất hoá học:
Amôniac có thể tác dụng trực tiếp với axit hoặc oxit axit để tạo các loại
muối amon.
2NH
3
+ H
2
SO
4
= (NH
4
)
2
SO
4
NH
3
+ HNO
3
= NH
4
NO
3
NH
3
+ H
2

O + CO
2
= NH
4
HCO
3
NH
4
HCO
3
+ NH
3
= (NH
4
)
2
CO
3
NH
3
tác dụng với CO
2
sẽ tạo thành dung dịch Cacbamat amon, loại bỏ
nớc sẽ tạo thành Urê.
NH
2
2NH
3
+ CO
2

= CO
ONH
4
NH
2
NH
2
CO = CO + H
2
O
ONH
4
NH
2
Khi có mặt xúc tác Pt , NH
3
tác dụng với O
2
tạo NO
4NH
3
+ 50
2
= 4NO + 6H
2
O
Khi có mặt xúc tác Cu hoặc Pd
4NH
3
+ 30

2
= 2N
2
+ 6H
2
O.
Phần lớn các chất không bị NH
3
lỏng và khí NH
3
ăn mòn , nhng trong
điều kiện có nớc thì xảy ra ăn mòn kim loại nh Cu, Ag, Zn . NH
3
tự đốt cháy ở
630
0
C khi cháy sẽ toả ra khói màu xanh. NH
3
trộn lẫn với không khí hoặc O
2
,
đến một tỷ lệ nhất định sẽ bùng nổ nếu gặp tia lửa, ở nhiệt độ và áp suất th-
Đào Xuân Huần Trang 23
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
ờng, phạm vi (giới hạn) nổ của NH
3
trong không khí là 15,5 ữ 18% và trong
khí O
2
là 13,5 ữ 82%.

IV. Cơ sở lý luận của quá trình tổng hợp NH
3

1. Cân bằng của phản ứng
a. Đặc điểm của phản ứng:
Đây là phản ứng 2 chiều, toả nhiệt, giảm thể tích, do đó nếu nhiệt độ
giảm, áp suất tăng thì cân bằng chuyển dịch về bên phải, hiệu suất phản ứng
tổng hợp tăng.
Hằng số cân bằng phản ứng
K
p
=
3
22
2*
3**
.
NH
HN
P
PP
P
*
là áp suất riêng phần của cấu tử i ở điều kiện cần bằng
Một số công thức thực nghiệm tính K
p
.
lg
=
p

K
-
T
8,2077
+2,4943 T + T - 1,8564 . 10
-7
. T
2
+ I
I: hằng số tích phân
: hệ số hiệu chỉnh đối với áp suất.Cho theo bảng sau:
P(atm) 100 300 600 1000

1,256.10
-4
1,256.10
-4
1,0856.10
-3
2,6833
-3
I -2,113 -2,206 -3,059 -4,473
Nếu duy trì đợc tỷ lệ y
H
2

: y
N
2
= 3 và

=++
322
NHNH
yyy
100%
Thì ta có:
010308200
4**2*
333
=+
NH
p
NHNH
y
P
K
yy
Giá trị y
*
NH3
đợc biểu hiện theo số liệu ở bảng sau
T
0
K
Nồng độ NH
3cb
ở các áp suất, atm
10 100 300 600 1000
598 10,38 - - - -
Đào Xuân Huần Trang 24

Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
673 3,85 24,91 - - -
698 2,80 20,23 - - -
723 2,04 13,35 35,5 53,6 69,4
748 1,61 12,98 31,0 47,5 63,5
773 1,20 10,40 26,2 42,1 -
b. ảnh hởng của nhiệt độ và áp suất đến cân bằng
Từ bảng số liệu thực nghiệm, ta có một số nhận xét nh sau:
Khi P = Const , nhiệt độ càng thấp thì nồng độ NH
3cb
càng cao
Khi T = Const, áp suất càng cao thì nồng độ NH
3cb
càng lớn.
Khi áp suất P tăng cao quá thì không có lợi vì nồng độ NH
3
tăng không
đáng kể và lại tốn nhiều năng lợng nén khí nguyên liệu.
c. ảnh hởng của tỷ lệ N
2
/H
2
Giải thiết rằng : - Hỗn hợp khí ban đầu có số phần tử là n
o
.
Tỷ lệ N
2
/H
2
= r

0
N
a
là số phân tử NH
3
tạo thành
y
*
i
là nồng độ của các cấu tử tơng ứng tại thời điểm cân bằng.
Khi đó ta có :
K
p
=







+
+

+
+
a
a
a
a
a
y
r
y
y
r
y
y
P
*
0
*
0
*
0
*
2*
2
2
3
1
1(
2
1

1
1
1


Từ phơng trình trên ứng với mỗi r
0
sẽ tìm đợc một y
*
a
ở các áp suất khác
nhau.
Nhận xét rút ra:
ở cùng một nhiệt độ và các áp suất khác nhau, nồng độ y
a
*
lớn nhất khi
r
0
= 3 phù hợp với tỷ lệ tiêu hao theo phản ứng, nh vậy tỷ lệ thích hợp cho cân
bằng đảm bảo suốt quá trình là 3.
d. ảnh hởng của khí trơ (CH
4
+Ar)
Nếu trong hỗn hợp khí ban đầu có khí trơ Ar và CH
4
(nồng độ i
0
) thì
nồng độ NH

3
khi cân bằng y
*
ai
sẽ nhỏ hơn y
*
a
(không có khí trơ), ngời ta đã
tìm đợc khi i
0
< 0,2 có thể dùng công thức:
*
0
0
*
1
1
a
ai
y
i
i
y
+

=
Nguyên nhân là do: Khí trơ làm giảm áp suất riêng phần của cấu tử
phản ứng. Làm cân bằng chuyển dịch sang trái:
Chẳng hạn: i
o

= 0,1 y
ai
*
=
1,1
9,0
y
*
a
= 0,82 y
a
*
Đào Xuân Huần Trang 25
Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
Khi có khí trơ (nồng độ i
0
) và H
2
/N
2
= 3/1 thì
4
1
2
o
N
i
y

=

;
)1(
4
3
2
oH
iy =
e. Hàm lợng NH
3
tại cân bằng:
Mục đích của quá trình tính toán hằng số cân bằng là để tìm hàm lợng
NH
3
cân bằng, ta có:









i
NH
NH
yy
y
3
3

*
*
1
= K
p
. P.
2
5,1
)1( r
r
+
Với K
p
: Hằng số cân bằng
y
*
NH3
: % thể tích NH
3
khí cân bằng
y
i
: % thể tích khí trơ cân bằng
P: áp suất của hệ thống
r : tỷ lệ H
2
/N
2
.
Đào Xuân Huần Trang 26

Đồ án tốt nghiệp Lớp QT&TB K46
2.Động học quá trình tổng hợp NH
3
a.Cơ chế phản ứng giữa H
2
và N
2
Dới tác dụng của xúc tác rắn để tạo thành NH
3
phụ thuộc vào sự tiếp
xúc của hai pha khí và rắn. Thông thờng cơ chế xúc tác hệ khí rắn đợc tiến
hành theo bớc nh sau:
1.Thể khí tham gia phản ứng khuyếch tán lên bề mặt xúc tác.
2.Chất tham gia phản ứng từ bề mặt ngoài của xúc tác khuyếch tán vào
mạch bên trong xúc tác
3. Hấp thụ lên bề mặt hoạt động của xúc tác
4.Thể tích ở trạng thái hấp thụ phản ứng hoá học lên bề mặt xúc tác và
tạo ra sản phẩm.
5. Sản phẩm nhả ra khỏi bề mặt hoạt tính của xúc tác.
6. Sản phẩm khuyếch tán rời các mao mạch bên trong xúc tác ra ngoài
bề mặt.
7. Sản phẩm từ bề mặt xúc tác khuyếch tán ra ngoài.
Trong các bớc trên, bớc 1 và 7 là quá trình khuyếch tán ngoài 2, 6 là
quá trình khuyếch tán trong, các bớc 3, 4 , 5 là quá trình động học hoá học. B-
ớc chậm nhất quyết định tốc độ toàn bộ quá trình.
Cơ chế của qúa trình tổng hợp NH
3
về cơ bản thuộc về cơ chế khí - rắn
và cơ chế quá trình đợc giả thiết nh sau:
H

2
và N
2
từ không gian pha khí khuyếch tán đến bề mặt xúc tác, phần
lớn thể khí này khuyếch tán vào mao mạch bên trong xúc tán đồng thời tiến
hành hấp phụ hoạt tính hoá học trên bề mặt ấy. N
2
hấp phụ (N
2
hp) phản ứng
với H
2
hấp phụ (H
2
hp) và H
2
pha khí (H
2k
) lần lợt tạo thành NH, NH
2
, NH
3
.
Sản phẩm cuối cùng tách ra khỏi bề mặt xúc tác và đi vào pha khí. Quá trình
biểu diễn theo sơ đồ nh sau:
N
2
(k) N
2
hp

FeN Fe
2
NH Fe
x
NH
2
Fe
x
NH
3
xFe NH
3hp
NH
3
khí
Trong quá trình phản ứng trên, khi tốc độ dòng khí tơng đối đủ lớn và
cỡ hạt xúc tác nhỏ và vừa thì ảnh hởng của các nhân tố khuếch tán ngoài và
khuếch tán tơng đối trong đối với phản ứng là rất nhỏ, mà tốc độ của N
2
hấp
phụ lên bề mặt xúc tác sắt thì rất gần với tốc độ tổng hợp NH
3
, tức là bớc hấp
phụ hoạt tính của N
2
tiến hành chậm nhất và là mấu chốt quyết định tốc độ
phản ứng.
Phơng trình động học của phản ứng có dạng.
Đào Xuân Huần Trang 27

+ H
2
+ Fe + H
2
+ H
2