Cơng nghệ sản xuất Amoniac (NH3) Nội dung: Tính chất vật ly Tính chất hóa học Quy trình sản x́t Ứng dụng  Lịch sử phát triển - Người Roman xưa tìm thấy muối amoni clorua - Vào năm 1774, Joseph Priestley lần phân lập amoniac dạng khí - Tuy nhiên người thu chất khí nhà giả kim tḥt Basil Valentine 11 năm sau, Claude Louis Berthollet xác định thành phần phân tử amoniac NH3 - Fritz Haber Carl Bosch người phát quy trình sản x́t amoniac vào năm 1909  Các ng̀n phát sinh amoniac Nhân tạo Tự nhiên • Từ nhà máy phân ure • Từ nhà máy chun sản x́t NH3 lỏng • Phân hủy xác đợng thực vật • Nước mưa, nước biển, núi lửa • Các hoạt đợng sinh hóa hàng ngày I TÍNH CHẤT VẬT LY Amoniac chất khí, khơng màu, mùi khai xốc, nhẹ khơng khí Điểm sơi (ở áp suất khí qủn) -33,34°C Tỷ trọng (so với khơng khí OoC) 0,586 Độ hòa tan nước g/100g H2O 89,9 (OoC) 60 (ở 15°C) 7,4 (100°C) Độ tan NH3 khí lit nước 700 lít (20°C) Giới hạn nổ với khơng khí 15-28% (thể tích) I TÍNH CHẤT VẬT LY  NH3 lỏng dung mơi hòa tan tốt nhiều chất dung mơi ion hóa khơng nước quan trọng nhất Độ tan số muối vơ 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 II TÍNH CHẤT HÓA HỌC II TÍNH CHẤT HÓA HỌC 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 nhiều kim loại tạo hợp chất amonicat Vd: CaCl2.8NH3 ; CuSO4.4NH3 ; ZnCl2 4NH3 ; AlCl3 4NH3 II TÍNH CHẤT HÓA HỌC Phản ứng thê Thê ngun tử hiđro phân tử NH3 kim loại hoạt động tạo thành hợp chất amidua ( có chứa nhóm amino NH2-); hợp chất imidua (chứa nhóm imino NH2-) hợp chất nitrua chứa ion nitrua N3-) Vd: 3500 C Na +2 NH ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ® NaNH +H ( Natri amidua) 2Al + 2NH3 t ¾¾ ® AlN + 3H2 (Nhơm nitrua) 3Ca + 2NH3 t ¾¾ ® 3CaH2 + N2 (canxi hidrua) II TÍNH CHẤT HÓA HỌC Phản ứng oxi hóa: Amoniac tác dụng với nhiều chất oxi hóa để thể tính khử Vd: 4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O NH3 dư + 3Cl2  N2 + 6NH4Cl NH3 + Cl2 dư  NCl3 + 3HCl 3CuO + 2NH3  3Cu + N2 + 3H2O t ¾¾ ® Pt ,800- 900 C ¾¾ ¾¾¾ ® Pt ,9 atm NH3 + 8O2 ¾¾ ¾ ¾® HNO3 + H 2O 750- 8000 C 10 Tác dụng CO nước tiên hành theo phản ứng tḥn nghịch, tỏa nhiệt: CO + H2O CO + H2 + 36,6 kJ( 5000C ) Khi tăng áp śt tăng tốc độ phản ứng mà khơng ảnh hưởng đên hiệu śt cân H2 Tăng hàm lượng nước hỗn hợp khí thì q trình chuyển hóa CO hồn tồn Chuyển hóa oxit cacbon Đây phản ứng tỏa nhiệt nên nhiệt độ vòng xúc tác tăng nên ta cần dẫn nhiệt ngồi Khi tăng nhiệt độ chuyển dịch cân phía trái (khơng mong muốn) Tuy nhiên nhiệt độ thấp phản ứng xảy chậm cả có mặt chất xúc tác phương pháp chuyển hóa xúc tác Sn – Cr – Cu (thiêc, crom, đồng) nhiệt độ thấp (200 – 3000C lượng dư CO khí khoảng 0,2 – 0,4% ) ĐIỀU CHẾ HYDRO Chuyển hóa metan Chuyển hóa oxit cacbon CH4 + H2O  CO + 3H2 CH4 + 1/2 O2  CO + 2H2 CH4 + CO2  2CO +2H2 CO + H2O Fe O ¾¾ ¾ ¾® 470- 5200 C CO2 +H2 HYDRO Phân chia khí cốc C + O2  CO2 C + CO2  2CO C + H2O  CO + H2 C + 2H2  CH4 CO + 3H2  CH4 + H2O CO + H O  CO + H Điện phân H2O hay NaCl 2H2O ¾¾ ¾¾® 2H2 + O2 2NaCl+2H2O ¾¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ® 2NaOH+Cl +H 2 điện phân điện phân dung dòch có màng ngăn III QUY TRÌNH SẢN X́T b Làm khí Tách bụi, tro, dầu Tách H2S Tách CO2 Tách CO  Tách tro, bụi, dầu: có thể khử bụi, tro rửa nước, qua lọc điện khơ lọc điện ướt Khử dầu lọc qn tính ly tâm 21 Phương pháp khơ: dùng xúc tác Fe2O3.xH2O, ít CaO mạt cưa Phương pháp ướt: dùng dung dịch muối asenic mơi 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 Ngồi có thể dùng hỗn hợp dung dịch mono, trietanolamin với sunfolan C4H8S2 2RNH2 + H2S  (RNH3)2S (RNH3)2S + H2S  2RNH3HS (R nhóm – CH2CH2OH) Tách CO2 Hấp thụ nước: - Rửa khí nước lạnh áp śt 16 – 25 atm, tưới tháp đệm - Sau đó cho nước qua tuốc bin để giảm áp śt xuống 1atm, đó khí khỏi nước Khí chứa 80% CO2, 11% H2 ít N2, H2S Hấp thụ kiềm: Dùng etanolamin để làm CO2, tạo thành hợp chất cacbonat 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 áp śt (120 – 300atm) và 25oC [Cu(NH3)n]OOCCH3 + CO  [Cu(NH3)nCO]OOCCH3 Loại bỏ vi lượng CO Hidro hố có xúc tác Ni/Cr nhiệt độ 150oC, áp śt 3atm CO + 3H2  CH4 + H2O 24 III QUY TRÌNH SẢN X́T c Nén khí Dùng máy nén cơng śt lớn để tạo đủ áp śt cần thiêt cho hỗn hợp khí hệ thống tổng hợp amoniac d Tổng hợp amoniac Dựa vào áp śt sử dụng, người ta chia làm loại hệ thống tổng hợp amoniac: - Hệ thống làm việc áp śt thấp 100 - 160 atm - Hệ thống làm việc áp śt trung bình 250-360atm - Hệ thống làm việc áp śt cao 450 - 1000 atm 25 THÁP TỔNG HỢP NH3 Tháp tổng hợp NH3 áp śt trung bình 1.Nấp đậy 2.Thân Tháp 3.Hộp xúc tác 4.Các ống trao đổi nhiệt 5.Lớp cách nhiệt 6.Ghi lò 7.Ống trung tâm 8.Bộ phận trao đổi nhiệt Sơ đồ thiết bị tổng hợp amoniac 1.Tháp tổng hợp Thiêt bị bốc nước Thiêt bị làm lạnh Thiêt bị phân li Bơm Tháp ngưng tụ 27  cơng nghệ sản xuất amoniac điển hình nhất: Cơng nghệ Haldor Topsoe A/S 28 Sơ đồ cơng nghệ đại tổng hợp Amoniac Cơng nghệ sản xuất Ammonia Haldor Topsoe SA - Đan Mạch nhà máy Đạm Cà Mau Cơng nghệ Krupp Uhde Cơng nghệ Krupp Uhde, người ta áp dụng phương pháp reforming thơng thường nước để sản x́t khí tổng hợp chứa CO H2, tiêp theo sử dụng chu trình tổng hợp amoniac với thiêt bị trung áp Phương pháp tối ưu hóa để giảm tiêu thụ lượng tăng độ ổn định vận hành 30 Phương hướng phát triển cơng nghiệp NH3 - Tìm phương pháp để tổng hợp amoniac, nhất tổng hợp nhiệt độ áp śt thường Các nhà hóa học điều chê amoniac từ nitơ nhiệt độ phòng áp śt khí bình thường Phương pháp cần nhiều năm có thể áp dụng cách có hiệu quả kinh tê sản x́t cơng nghiệp - Enzym nitrogenases nên có khả chuyển nitơ khơng khí thành NH3 Q trình gọi q trình cố định đạm (nitơ) Hiện nhà khoa học hy vọng tìm hiểu bản chất q trình cố định đạm sinh vật Một phát rất ấn tượng liên quan đên vấn đề tìm vùng hoạt động enzym cố định đạm có cấu trúc dị thường Fe7MoS9 IV ỨNG DỤNG 32 D THE END 33 [...]... + 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), nhơm (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 X́T - Sản x́t ở quy mơ rất nhỏ: 2 NH4Cl + 2 CaO → CaCl2 + Ca(OH)2 + 2 NH3 - Sản x́t ở quy. .. rất nhỏ: 2 NH4Cl + 2 CaO → CaCl2 + Ca(OH)2 + 2 NH3 - Sản x́t ở quy mơ cơng 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 X́T Sơ đồ quy trình Haber-Bosch trong cơng nghiệp 13 III QUY TRÌNH SẢN X́T 5 cơng nghệ được thương mại hóa nhiều nhất: 1/ Cơng nghệ Haldor... 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 śt (120 – 300atm) và 25oC [Cu (NH3) n]OOCCH3 + CO  [Cu (NH3) nCO]OOCCH3 Loại bỏ vi lượng CO Hidro hố có xúc tác Ni/Cr ở nhiệt độ 150oC, áp śt 3atm CO + 3H2  CH4 + H2O 24 III QUY TRÌNH SẢN X́T c Nén khí Dùng các máy nén... cao 450 - 1000 atm 25 THÁP TỔNG HỢP NH3 Tháp tổng hợp NH3 dưới áp śt trung bình 1.Nấp đậy 2.Thân Tháp 3.Hộp xúc tác 4.Các ống trao đổi nhiệt 5.Lớp cách nhiệt 6.Ghi lò 7.Ống trung tâm 8.Bộ phận trao đổi nhiệt Sơ đồ thiết bị tổng hợp amoniac 1.Tháp tổng hợp 2 Thiêt bị bốc hơi nước 3 Thiêt bị làm lạnh 4 Thiêt bị phân li 5 Bơm 6 Tháp ngưng tụ 27  2 cơng nghệ sản xuất amoniac điển hình nhất: 1 Cơng... SẢN X́T 5 cơng nghệ được thương mại hóa nhiều nhất: 1/ Cơng nghệ Haldor Topsoe 2/ Cơng nghệ M.W Kellogg 3/ Cơng nghệ Krupp Uhde 4/ Cơng nghệ ICI 5/ Cơng nghệ Brown & Root 14 III QUY TRÌNH SẢN X́T  Các bước trong quy trình tổng hợp amoniac: a Ðiều chế hỗn hợp khí nitơ - hydro 15 ĐIỀU CHẾ NITO NI TƠ Trong cơng nghiệp Chưng cất khơng khí Hấp phụ PSA ĐIỀU CHẾ HYDRO Chuyển hóa metan Chuyển hóa oxit... 3S Na4As2S5O2 + H2S  Na4As2S6O + H2O Na4As2S6O + 1/2 O2  Na4As2S5O2 + S Tách H2S Ngồi 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 śt 16 – 25 atm, tưới trong các tháp đệm - Sau đó cho nước qua tuốc bin để giảm áp śt xuống 1atm,... nghiệp NH3 - Tìm các phương pháp mới để tổng hợp amoniac, nhất là tổng hợp ở nhiệt độ và áp śt thường Các nhà hóa học đã điều chê được amoniac từ nitơ ở nhiệt độ phòng và áp śt khí quy n bình thường Phương pháp này cần nhiều năm nữa mới có thể được áp dụng một cách có hiệu quả kinh tê trong sản x́t cơng nghiệp - Enzym nitrogenases nên có khả năng chuyển nitơ khơng khí thành NH3 Q trình... nước 3 Thiêt bị làm lạnh 4 Thiêt bị phân li 5 Bơm 6 Tháp ngưng tụ 27  2 cơng nghệ sản xuất amoniac điển hình nhất: 1 Cơng nghệ Haldor Topsoe A/S 28 Sơ đồ cơng nghệ hiện đại tổng hợp Amoniac Cơng nghệ sản xuất Ammonia của Haldor Topsoe SA - Đan Mạch tại nhà máy Đạm Cà Mau 2 Cơng nghệ Krupp Uhde Cơng nghệ Krupp Uhde, người ta áp dụng phương pháp reforming thơng thường bằng hơi nước để sản x́t khí tổng... + H2O  CO + H2 C + 2H2  CH4 CO + 3H2  CH4 + H2O CO + H O  CO + H Điện phân H2O hay NaCl 2H2O ¾¾ ¾¾® 2H2 + O2 2NaCl+2H2O ¾¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ® 2NaOH+Cl +H 2 2 điện phân điện phân dung dòch có màng ngăn III QUY TRÌNH SẢN X́T 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 khơ hoặc lọc điện ướt Khử sạch dầu bằng... 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 śt khí quy n hoặc áp śt cao Có sử dụng chất xúc tác (gọi là chuyển hóa xúc tác) hoặc khơng dùng chất xúc tác (chuyển hóa ở nhiệt độ cao) Có thể dùng các chất xúc tác Ni phủ lên oxit nhơm hay là phủ