Công nghệ tổng hợp vô cơ cơ bản

Phần: CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP VÔ CƠ CƠ BẢN.

BÀI 2:
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NITƠ, HYDRO VÀ OXI
******

I.
KHÁI NIỆM CHUNG
II. ĐIỀU CHẾ NITƠ VÀ OXI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA LỎNG KHÔNG
KHÍ
1. Hóa lỏng khí bằng làm lạnh thâm độ.
2. Chưng không khí lỏng
3.
Các hệ thống điều chế Oxi và Nitơ
III. ĐIỀU CHẾ HYDRO
1.
Phương pháp làm lạnh thâm độ khí cốc
2.
Phương pháp chuyển hóa mêtan với chất oxi hoá là hơi nước hoặc oxi.
Nguồn nguyên liệu là khí thiên nhiên, khí dầu mỏ và khí cốc


I. Khái niệm chung:
- Nitơ được dùng để tổng hợp Amôniac, canxi xyanamit, làm môi trường trơ
trong nhiều quá trình sản xuất.
- Oxi làm tác nhân oxi hóa, nhiên liệu, chuyển hóa các Hydro Cacbon dùng
trong y tế và các ngành kinh tế khác.
- Hydro được dùng để tổng hợp Amôniac, thực hiện quá trình Hydrat hóa (
nhiên liệu, chất béo, trong công nghiệp tổng hợp chất hữu cơ), cắt kim loại.

Trong công nghiệp N,H,O được sản xuất bằng phương pháp hóa lỏng các hỗn
hợp khí ( không khí, khí cốc...) rồi chưng phân đoạn hoặc bằng phương pháp ngưng tụ
phân đoạn.

II. Ðiều chế Nitơ và oxi bằng phương pháp hóa lỏng không khí:

Ðiều chế N,O từ hỗn hợp khí bằng phương pháp làm lạnh thâm độ được thực
hiện theo 2 giai đoạn nối tiếp:
- Hóa lỏng hỗn hợp khí bằng làm lạnh thâm độ.
- Chưng phân đoạn sản phẩm lỏng thu được.

1. Hóa lỏng khí bằng làm lạnh thâm
độ:
TOP

Dưới đây ta xét sơ đồ nguyên lý các chu trình thường dùng để hóa lỏng không
khí:
a) Chu trình tiết lưu có làm lạnh bằng amôniac:

Không khí nén trong cụm máy nén (1) có p = 1 atm → 200 atm rồi đưa vào
thiết bị làm lạnh (2) để làm lạnh bằng nước đến t° = 18°C → 20°C, rồi qua thiết bị
truyền nhiệt trung gian (3) và thiết bị làm lạnh bằng amôniac (4) là thiết bị truyền nhiệt
chính (5) đến t° = -50°C, qua van tiết lưu (6) thì một phần không khí hóa lỏng.
Không khí lạnh không hóa lỏng, được đưa trở lại trong các thiết bị truyền nhiệt
(3) và (5).

b) Chu trình giãn nở có thực hiện công ra bên ngoài:

2. Chưng không khí lỏng:
TOP

Quá trình tách bằng phương pháp chưng cất các nguyên tố trong không khí
lỏng dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi của chúng, phương pháp này có thể điều
chế được nitơ và oxi nguyên chất ( từ không khí).
Ghi chú: thành phần không khí gồm nhiều nguyên tố thành phần (% thể tích):
nitơ: 78,030 %; oxi:20,990 %; Argon: 0,933 %; Cacbonic: 0,030 %; Hydro: 0,01 %.
Ngoài ra còn hơi nước, bụi, các thành phần không ổn định.
Chưng không khí lỏng được thực hiện trong tháp chưng hai cột.
Tháp chưng gồm 3 phần:
- Dưới cùng là cột chưng dưới (1), làm việc ở p = 6 atm.
- Trên cùng là cột chưng trên (2) làm việc ở p = 1 atm.
- Giữa 2 cột là thiết bị ngưng tụ bốc hơi kiểu ống chùm (3).
Thiết bị ngưng tụ - bốc hơi này có nắp đậy ở phía trên, bên trong của hệ thống
ống chùm thông với cột chưng (1) làm nhiệm vụ thiết bị ngưng nitơ, còn không gian
ngoài ống chùm thông với cột chưng (2) làm nhiệm vụ thiết bị bốc hơi oxi.
Không khí nén ở p = 50 → 100 atm đã làm lạnh được đưa vào ruột gà (4) của
thiết bị bốc hơi không khí lỏng (5) thuộc cột chưng (1) sau đó qua tiết lưu (6), áp suất
giảm đến 6 atm. Toàn bộ hỗn hợp được đưa vào phần dưới cột (1). Trong quá trình
chưng trong cột (1), hàm lượng nitơ ở các đĩa phía trên ngày càng cao và lên đến các
ống chùm của thiết bị ngưng tụ - bốc hơi (3), hầu như chỉ còn nitơ nguyên chất.
Nitơ truyền nhiệt cho không khí lỏng ở ngoài ống chùm và ngưng tụ. Một phần
đọng lại trong các túi (7), còn một phần theo các đĩa chảy xuống phía dưới, tạo điều
kiện cho cột chưng (1) làm việc liên tục.
Ở cột (1) là không khí lỏng giàu oxi (khoảng 30 → 40%).
Hỗn hợp không khí lỏng này được đưa qua tiết lưu (8) giảm áp suất xuống áp
suất khí quyển rồi đưa vào giữa cột chưng (2) để chưng đến oxi gần nguyên chất.
Nitơ lỏng ở (7) qua tiết lưu (9) vào phía tiêu cột (2) để chưng liên tục. Trong
quá trình chưng ở cột (2) được nitơ nguyên chất lấy ra ở đỉnh tháp.
Ở không gian ngoài ống chùm ngưng tụ - bốc hơi (3), oxi nhận nhiệt do quá
trình ngưng tụ nitơ truyền cho bay hơi và được lấy ra ở phía trên thiết bị (3) dưới dạng
khí nguyên chất.

3. Các hệ thống điều chế nitơ và oxi:
TOP
Ðiều chế nitơ và oxi bằng phương pháp phân ly không khí chủ yếu dùng:
- Hệ thống tiết lưu không khí nén có làm lạnh sơ bộ bằng amôniac.
- Hệ thống áp suất cao và tháp có thiết bị hoàn nhiệt và máy giãn nở kiểu
tuabin.
Hệ thống tiết lưu không khí nén có làm lạnh sơ bộ bằng amôniac sản xuất nitơ
đạt nồng độ tới 99,9%.
Hệ thống tiết lưu không khí nén có làm lạnh sơ bộ bằng amôniac sản xuất oxi
đạt nồng độ tới 90 → 93%; 99,5%, 99,7% và nitơ có lẫn nhiều oxi.
Dưới đây ta xét sơ đồ các lưu trình sản xuất nitơ và oxi đã nêu.
* Hệ thống tiết lưu không khí nén có làm lạnh sơ bộ amôniac:
Trong không khí thường có tạp chất: bụi, hơi nước và CO
2
, khí C
2
H
2
... là những
hợp chất có hại cần phải loại bỏ, nước và CO
2
đóng băng tương đối cao làm tắt đường
ống, đặc biệt là C
2
H
2
tạo thành hợp chất nổ.
Do vậy, ta phải cho không khí qua thiết bị lọc (1), rồi cho qua máy nén bốn cấp
(2) có p = 8 →10 atm, sau đó đưa vào thiết bị khử CO

2
(3) bằng NaOH 10% sau đó
không khí được đưa trở lại máy nén 2 cấp nữa p = 35 → 60 atm. Ở máy nén ra không
khí được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (4) làm lạnh bằng nitơ ở tháp chưng (7), rồi
vào thiết bị làm lạnh bằng amôniac (5) theo kiểu ruột gà, không khí nén đi bên trong
còn amôniac đi trong không gian giữa 2 ống. Nước thường đóng băng trong ruột gà
nên qua 1 ngày đêm cần phải xử lý băng đọng bằng cách thổi amôniac ở p = 7,5 → 12
atm và t° = 50 → 80°C.
Không khí nén đã loại hơi nước được làm lạnh tiếp tục trong thiết bị trao đổi
nhiệt (6) bao quanh tháp chưng (7), bằng N
2
và O
2
ở tháp chưng ra không khí ra khỏi
thiết bị (6) được đưa vào tháp chưng (7) để thực hiện quá trình chưng phân đoạn.

III. Ðiều chế hidro :
Bằng các phương pháp :
-Ðiện phân nước .
-Phương pháp phân ly khí cốc bằng cách làm lạnh thâm độ .
-Chuyển hóa các Hydro Cacbon .

1. Phương pháp làm lạnh thâm độ
khí cốc :
TOP
Thành phần khí cốc (%):
- Hidro: 35 - 61% ; -Khí CO
2
2-4%; -Metan 24 - 28%
- N

2
: 2 - 7 % ;- Olê fin(etylen,propylen) :1,5 - 3% ;Oxi :0,2 -
2,5%
Ngoài ra ,trong khí cốc còn có các hợp chất hữu cơ của lưu huỳnh , benzen,
naphtalen ,nitơoxit ,axetilen.
Các phân đoạn trong khí cốc được tách bằng cách ngưng tụ phân đoạn ở áp suất
cao,trong quá trình làm lạnh các phân đoạn lần lược ngưng tụ phân đoạn lần lược
ngưng tụ .
Hình 6-8 trình bày sơ đồ tàch càc phân đoạn trong khí cốc bằng phương pháp
làm lạnh thâm độ .
Khí cốc có các thành phần (%) : - Hiđrô 55 -61 CO
2
: 6-4
- Mêtan 24-28 CO :6-9
- Ôlêfin 1.5-3.0 N
2
:2-7
O
2
: 0.3-0.5


H 6-8.Sơ đồ lưu trình điều chế hiđrô bằng phương pháp ngưng tụ phân đoạn khí
cốc
1,11,14 .Máy nén 2,9,4,5,6,8; Thiết bị trao đỗi nhiệt ;7.thiết bị phân ly etylen ; .thiết bị
bốc hơi nitơ ;.10 tháp phân ly ; .12 thiết bị làm lạnh ; .13thiết bị thu hơi nhiệt ;15thiêt
bị ngưng tụ Amôniac.

- Khí cốc sau khi làm sạch sơ bộ, được nén trong máy nén (1) ở áp suất 12 →
13 atm, sau đó được đưa vào hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt.

+ Thiết bị (2) làm lạnh bằng CO.
+ Thiết bị (3) làm lạnh bằng CH
4
và hỗn hợp H
2
-N
2
, hạ nhiệt độ khí cốc đến -
25°C.
+ Khí vào thiết bị làm lạnh (4) được tiếp tục làm lạnh bằng NH
3
lỏng đến -
41°C.
* Từ các thiết bị truyền nhiệt ra, khí cốc đi vào hệ thống phân ly, trao đổi nhiệt,
bốc hơi, ngưng tụ, tháp phân ly, từ (5) → (10) ( các thiết bị này nằm trong khung của
hình vẽ).
- Ở thiết bị trao đổi nhiệt (5), khí cốc đến -105°C bằng hỗn hợp N
2
-H
2
-CH
4
làm
ngưng tụ phân đoạn propylen và các Hydro Cacbon khác.
- Thiết bị trao đổi nhiệt (6) làm lạnh khí cốc bằng hỗn hợp N
2
-H
2
đến -145°C
làm ngưng tụ phân đoạn etylen có lẫn các Hydro Cacbon mạch dài, nước và CO2 dưới

dạng rắn.
- Elylen còn lại bị phân ly ở (7).
- Hỗn hợp vào thiết bị trao đổi nhiệt (8) làm lạnh bằng hỗn hợp N
2
-H
2
đến -
180°C làm metan ngưng tụ.
- Cả hỗn hợp hơi - lỏng đều vào thiết bị bốc hơi nitơ (9) t°=190°C
Khí ra khỏi thiết bị bốc hơi nitơ, chủ yếu chứa Hydro và nitơ ngoài ra còn có
CO, CH
4
, oxi. Hỗn hợp này thường dùng để tổng hợp amôniac, do vậy cần phải loại bỏ
các tạp chất CO, CH
4
, oxi.
Do đó hỗn hợp khí được đưa vào tháp phân ly kiểu dĩa (10) đẻ rửa hỗn hợp.
Trước khi sử dụng, được dòng làm lạnh trong các thiết bị trao đổi nhiệt (8), (6) và (2).
Ðể cung cấp nitơ cho quá trình làm lạnh, người ta còn dùng nitơ nguyên chất
điều chế được bằng phương pháp phân ly không khí, nitơ được nén trong máy nén (11)
p=200 atm, làm lạnh bằng amôniac trong thiết bị (12) đến -45°C. sau lại làm lạnh
trong thiết bị thu hổi nhiệt (13). Nitơ ở thiết bị (13) ra chia làm 2 nhánh: một qua van
tiết lưu (14) để tưới vào tháp (10), một nhánh dùng làm chất làm lạnh trong tháp bốc
hơi nitơ (9). (15) là thiết bị ngưng tụ.
Bằng cách ngưng tụ phân đoạn, người ta tận dụng tới 95% khí hydro có trong
khí cốc để tổng hợp amôniac, lấy được etylen để tổng hợp polyetylen và nhiều hợp
chất hữu cơ quan trọng khác.
Khí còn lại là CH
4
, CO được dùng làm nhiên liệu trong luyện kim.

2. Phương pháp chuyển hóa mêtan với chất oxi hóa là hơi
nước hoặc oxi. Nguồn nguyên liệu là khí thiên nhiên, khí dầu mỏ
và khí cốc.
TOP
- Các phản ứng chuyển hóa metan là:
CH
4
+ H
2
O = CO + 3H
2
(1)
2CH
4
+ O
2
= 2CO + 4H
2
(2)
CO + H
2
O = CO2 + H
2
(3)
Quá trình được thực hiện qua giai đoạn chuyển hóa metan thành CO và hydro
và chuyển hóa tiếp CO thành H
2
và CO2.
Trong công nghiệp, người ta thường dùng 3 phương pháp chuyển hóa CH
4

:
- Chuyển hóa bằng hơi nước có xúc tác.
- Chuyển hóa bằng hơi nước có oxi, hoặc hơi nước - oxi - không khí, có xúc tác.
- Chuyển hóa bằng oxi hoặc không khí và oxi ở nhiệt độ cao.

a) Chuyển hóa metan bằng hơi nước có xúc tác: Hình 6-9

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: thiết bị tăng ẩm; 8: thiết bị trộn; 9: thiết bị chuyển hóa cacbon
oxit.