tiểu luận quy trình sản xuất NH3

Công nghệ sản xuất
Amoniac (NH3)


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.

3


 Các nguồn phát sinh amoniac

Nhân
tạo
Tự
nhiên

• Từ nhà máy phân ure
• Từ nhà máy chuyên sản xuất NH3
lỏng

• Phân hủy xác động thực vật
• Nước mưa, nước biển, núi lửa
• Các hoạt động sinh hóa hàng ngày

4


I. TÍNH CHẤT VẬT LY
Amoniac

là chất khí, không màu,
mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí
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 trọng
nhất
Độ tan của một số muối vô cơ trong NH3
Độ tan (g muối/ 100 g NH3 lỏng)
lỏng:
Amoni axetat
Amoni nitrat

253.2
389.6

Liti nitrat

243.7

Natri nitrat
Kali nitrat
Natri florua
Natri clorua

Natri brorua
Natri iodua
Natri tioxyanat

97.6
10.4
0.35
3.0
138.0
161.9
205.5
6


II. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

7


II. TÍNH CHẤT HÓA HỌC
1. Phản ứng hóa hợp
 Hóa hợp với nước:

NH3(dd) + H 2O ƒ NH 4+ + OH  Hóa hợp với axit:
Vd: (NH3.H2O) + HNO3 NH4NO3 + H2O
 Hóa hợp với muối của nhiều kim loại tạo ra hợp
chất amonicat.
Vd: CaCl2.8NH3 ; CuSO4.4NH3 ; ZnCl2. 4NH3 ;
AlCl3. 4NH3
8

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-)
Vd:

3500 C

2 Na +2 NH 3 ¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
® 2 NaNH 2 +H 2
( Natri amidua)

2Al

+

2NH3

0

t
¾¾
®

AlN + 3H2

(Nhôm nitrua)

3Ca

+

2NH3

0

t
¾¾
®

3CaH2 + N2

(canxi hidrua)
9


II. TÍNH CHẤT HÓA HỌC
3. Phản ứng oxi hóa:
Amoniac còn tác dụng với nhiều chất oxi hóa
để thể hiện tính khử

Vd:

4NH3 + 3O2
2N2 + 6H2O
4NH3 + 5O2
4NO + 6H2O
8 NH3 dư + 3Cl2  N2 + 6NH4Cl
NH3
+ Cl2 dư  NCl3 + 3HCl
3CuO + 2NH3  3Cu + N2 + 3H2O
0

t
¾¾
®

0

Pt ,800- 900 C
¾¾
¾¾¾
®

Pt ,9 atm
4 NH3 + 8O2 ¾¾
¾ ¾® 4 HNO3 + 4 H 2O
750- 8000 C
10

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 3 ƒ

N 2 +3H 2

- 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.
11


III. QUY TRÌNH SẢN XUẤT
- Sản xuất ở quy mô rất nhỏ:
2 NH4Cl + 2 CaO → CaCl2 + Ca(OH)2 + 2 NH3
- Sản xuất ở quy mô công nghiệp
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

12

III. QUY TRÌNH SẢN XUẤT

Sơ đồ quy trình Haber-Bosch trong công nghiệp
13


III. QUY TRÌNH SẢN XUẤT
5 công nghệ được thương mại hóa nhiều nhất:
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

14


III. QUY TRÌNH SẢN XUẤT
 Các bước trong quy trình tổng hợp amoniac:

a. Ðiều chế hỗn hợp khí nitơ - hydro

15


ĐIỀU CHẾ NITO

NI TƠ
Trong công nghiệp

Chưng cất không khí

Hấp phụ PSA


ĐIỀU CHẾ HYDRO

Chuyển hóa metan

Chuyển hóa oxit cacbon

HYDRO
Phân chia khí cốc

Điện phân H2O hay
NaCl


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.

Chuyển hóa mêtan
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:
CH4 + ½ O2  CO + 2 H2 + 35 kJ
 Khi nhiệt độ ≈ 1250 0C. Khí nhận được
theo phương pháp này có chứa mồ hóng.
Mồ hóng có thể rửa sạch bằng nước nóng
khi áp suất cao.


Tác dụng giữa CO và hơi nước tiên
hành theo phản ứng thuận nghịch, tỏa
nhiệt:
CO + H2O CO + H2 + 36,6
kJ( 5000C )

Khi tăng áp suất sẽ tăng tốc độ
phản ứng mà không ảnh hưởng đên
hiệu suất cân bằng H2.
Tăng hàm lượng hơi nước trong
hỗn hợp khí thì quá trình chuyển hóa
CO hoàn toàn hơn.

Chuyển hóa oxit cacbon
Đây là phản ứng tỏa nhiệt
nên nhiệt độ trong vòng xúc tác
sẽ tăng nên ta cần dẫn nhiệt ra
ngoài

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% )


IU CH HYDRO

Chuyn húa metan

Chuyn húa oxit cacbon

CH4 + H2O CO + 3H2
CH4 + 1/2 O2 CO + 2H2
CH4 + CO2 2CO +2H2

CO + H2O

Fe O

2 3
ắắ
ắ
ắđ
470- 5200 C

CO2 +H2

HYDRO
Phõn chia khớ cc
C + O2

CO2
C + CO2 2CO
C + H2O CO + H2
C + 2H2 CH4
CO + 3H2 CH4 + H2O
CO + H O CO + H

in phõn H2O hay
NaCl
2H2O ắắ ắắđ 2H2 + O2
2NaCl+2H2O
ắắ ắ ắ ắ ắ
đ 2NaOH+Cl +H
2
2
ủieọn phaõn

ủieọn phaõn dung dũch
coự maứng ngaờn


III. QUY TRÌNH SẢN XUẤT
b. Làm sạch khí
Tách bụi,
tro, dầu

Tách
H2S

Tách
CO2

Tách
CO

 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.

21


Phương pháp khô: dùng xúc tác
Fe2O3.xH2O, một ít CaO và mạt cưa

Phương pháp ướt: dùng dung dịch
muối asenic trong môi trường kiềm

để hấp thụ H2S

Fe2O3.xH2O + H2S  Fe2S3.xH2O + H2O
Fe2S3.xH2O+3/2 O2Fe2O3.xH2O + 3S
3H2S + 3/2 O2  3H2O + 3S

Na4As2S5O2 + H2S  Na4As2S6O + H2O
Na4As2S6O + 1/2 O2  Na4As2S5O2 + S

Tách H2S.
Ngoài ra có thể dùng hỗn hợp dung dịch mono, đi hoặc
trietanolamin với sunfolan C4H8S2
2RNH2 + H2S  (RNH3)2S
(RNH3)2S + H2S  2RNH3HS
(R là nhóm – CH2CH2OH)


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 kiềm: 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 CO2
23


Tách CO
Phương pháp đồng amoniac
[Cu(NH3)n]OOCCH3 ở áp suất (120 – 300atm) và 25oC
[Cu(NH3)n]OOCCH3 + CO  [Cu(NH3)nCO]OOCCH3

Loại bỏ vi lượng CO
Hidro hoá có xúc tác Ni/Cr ở nhiệt độ 150oC, áp suất 3atm
CO + 3H2  CH4 + H2O
24


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.
25