Công nghệ hoá học I. Khái niệm chung: Ở nhiệt độ thường, NH3 là khí không màu, có mùi mạnh gây ngạt thở. NH3 dễ tan trong nước, ở nhiệt độ thường và áp suất thường ,1 lít nước hòa tan được 750l NH3. NH3 là một chất bền ở nhiệt độ thường có khả năng phản ứng mạnh. 2NH3-->N2 + 3H2 t°= 1200°C NH3 được dùng nhiều để sản xuất phân đạm, HNO3 và nhiều hợp chất khác, nó cũng được dùng làm chất làm lạnh. NH3 có 2 loại: loại 1 dùng trong các máy lạnh, loại 2 dùng làm nguyên liệu trong công nghiệp hóa chất. NH3 được tổng hợp theo phản ứng: N2 + 3H2 <=> 2 NH3 (1) Ðây là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt và giảm thể tích. Chiều thuận cần nhiệt độ thấp áp suất cao có xúc tác sắt. Nguyên liệu tổng hợp amôniac là hỗn hợp khí nitơ và hydro. ------------------------------
II. Ðiều chế hỗn hợp khí nitơ - hydro để tổng hợp amôniac: Nguyên liệu tổng hợp là NH3 ( khí tổng hợp) thường được điều chế bằng các phương pháp sau: - Chuyển hóa khí thiên nhiên. - Khí hòa than. - Phân ly khí cốc. 1. Ðiều chế khí tổng hợp: Khí thiên nhiên ( chủ yếu thành phần của nó là metan) được chuyển hóa bằng hơi nước hoặc oxi theo các phản ứng: CH4 + H2O = CO + 3H2 (2) CH4 + 1/2 O2 = CO + 2H2 (3) Khí CO tạo thành được chuyển hóa tiếp thành hydro và CO2: CO + H2O = CO2 + H2 (4) Phản ứng (2) và (4) thuận nghịch và thu nhiệt. Phản ứng (2) xảy ra đủ lớn ở nhiệt độ 1350°C trở lên, điều này thực hiện tương đối khó cho nên thường dùng xúc tác và dư hơi nước. Chính vì thế phản ứng (4) xảy ra đồng thời với phản ứng (2). Tùy theo chất oxi hóa sử dụng mà trong công nghiệp có 3 loại công nghệ chuyển hóa: - Chuyển hóa bằng hơi nước có xúc tác. - Chuyển hóa bằng hơi nước và oxi có xúc tác. - Chuyển hóa không có xúc tác bằng oxi hay không khí giàu oxi. * Chuyển hóa khí thiên nhiên bằng hơi nước với xúc tác là Ni Khí thiên nhiên được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (1) nâng t° đến 380 -->400°C. Sau đó vào thiết bị làm sạch khí sơ bộ (2) (dùng ZnO hấp thụ các hợp chất chứa lưu huỳnh). Hơi nước được gia nhiệt ở thiết bị truyền nhiệt (3). Sau đó cho hỗn hợp hơi - khí vào lò ống (4) đi trong các ống chứa Ni, bên ngoài đốt đến nhiệt độ 700 --> 750°C ở đây phản ứng (2) xảy ra. Sau đó hỗn hợp khí đi vào tháp chuyển hóa metan (5). Tại đây người ta thêm nitơ vào theo tỷ lệ hydro/nitơ = 3/1. Oxi trong không khí oxi hóa metan theo phản ứng (3), nhiệt độ tăng lên 950--->1000°C ở thiết bị (5) ra, hỗn hợp khí đi vào nồi hơi - thu hồi (6). Trước khi vào thiết bị chuyển hóa CO (9) hỗn hợp khí qua thiết bị trộn (8). Kết thúc quá trình chuyển hóa, ta được hỗn hợp khí N2 - H2 có lẫn khí CO2 và một ít CO, CH4. 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...). - Tách khí CO2 và H2S: rửa bằng nước ở áp suất cao. Ngày nay, người ta sử dụng rộng rãi dung dịch etanolamin trong nước, chủ yếu là monoEtanolamin,(CH2-CH2(OH)NH2) để loại các khí trên. ------------------------------
III. Công nghệ tổng hợp amôniac: Dựa vào áp suất, người ta chia làm 3 loại hệ thống tổng hợp amôniac: - Hệ thống làm việc ở áp suất thấp 100 ---> 160 atm. - Hệ thống làm việc ở áp suất trung bình 250 --> 360 atm. - Hệ thống làm việc ở áp suất cao 450 -->1000 atm. 1. Tháp tổng hợp amôniac sử dụng hệ thống áp suất trung bình là thông dụng nhất : Tháp có 2 bộ phận chính: - 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. Lưu trình công nghệ tổng hợp amôniac ở áp suất trung bình: Khí tổng hợp đưa vào phần trên của tháp tổng hợp (1). Hỗn hợp khí đã được chuyển hóa đi vào thiết bị ngưng tụ (2) làm lạnh từ nhiệt độ 120 ---> 200°C đến 25 --> 35°C. Phần lớn amôniac bị hóa lỏng tại đây, sau đó đi vào thiết bị phân ly (3) để tách NH3 hóa lỏng. Từ thiết bị lọc (5), hỗn hợp khí đi vào tháp ngưng tụ (6) sau đó sang tháp bốc hơi amôniac (7). Sơ đồ lưu trình công nghệ tổng hợp amôniac ở áp suất trung bình. 1: tháp tổng hợp amôniac; 2: thiết bị ngưng tụ; 3: thiết bị phân ly; 4:bơm tuần hoàn; 5: thiết bị lọc; 6: tháp ngưng tụ; 7: tháp bốc hơi amôniac ------------------------------
Gửi bác mod: Bác mod ơi xoá hộ tôi bài này nhé, tại tôi kích nhầm nên chưa viết được gì thì đã gửi mất rùi Được Polymere sửa chữa / chuyển vào 20:59 ngày 25/02/2004
Sản xuất khí amoniac (NH3) Trên cơ sở bài viết của bạn Kirpf, chúng tôi xin trình bày thêm một chút về việc sản xuất NH3 hiện nay, trong đó có nói đến sự vận dụng các nguyên lý của hoá học. Mặt lý thuyết nhiệt động học và cân bằng hoá học : NH3 được tổng hợp từ N2 và H2. Sự biến đổi entanpi (deltaH°m) của quá trình tổng hợp là ?" 46 kJ/mol NH3. Phản ứng như sau : N2(k) + 3H2(k) <=> 2NH3(k)(k) + 92 kJ với dH°m = -46kJ/mol ; dS° = -2 ở 25°C hằng số cân bằng của phản ứng là Kc = 4,1.108 Người ta nhận thấy rằng trong khi yếu năng lượng rất thuận lợi cho sự tự diễn biến của quá trình tổng hợp thì yếu tố entropi lại không thuận lợi cho quá trình này (giảm entropi). Điều này dẫn đến một cân bằng. Về mặt nhiệt động học nếu căn cứ vào giá trị của Kc ở 25°C ta có thể cho rằng sự chuyển hoá N2 và H2 thành NH3 là hoàn toàn. Nhưng về mặt động học, ở nhiệt độ này tốc độ của phản ứng rất thấp, trên thực tế phản ứng coi như không diễn ra. PLMFC - ENSHN Vous n'avez rien à donner, donnez votre place assise
Công nghiệp đã làm như thế nào để giải quyết vấn đề trên ? Làm cách nào để tăng tốc độ phản ứng ? Theo quy tắc thực nghiệm chúng ta biết rằng bằng cách tăng nhiệt độ 10°C tốc độ phản ứng trung bình tăng khoảng 2 hoặc ba lần. Nếu nâng nhiệt độ từ 25°C lên 100°C chúng ta có thể tăng tốc độ phản ứng lên khoảng 2100 hoặc 1030 lần. Tuy nhiên trong trường hợp này việc tăng nhiệt độ không phải là một giải pháp tốt nhất vì nó kéo theo sự giảm Kc. Người ta đã tính được Kc tương ứng với các giá trị nhiệt độ như sau : Như vậy Kc giảm một cách đáng kể khi tăng nhiệt độ. Phản ứng có thể diễn ra nhưng cân bằng không còn thuận lợi nữa. Chúng ta có thể làm gì để phản ứng chuyển dịch theo chiều tạo ra NH3 ? Câu trả lời là chúng ta có thể thêm nhiều chất phản ứng (N2, H2). Chúng ta cũng có thể tăng áp suất riêng phần của các chất phản ứng (tăng nồng độ). Vì tổng hệ số tỉ lượng của phản ứng ở vế trái là 4, ở vế phải là 2 nên khi ta tăng áp suất của hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch sang phải (phía tạo ra NH3). Bảng sau đây giới thiệu ảnh hưởng của áp suất (cũng là nồng độ của các chất) đến tỉ lệ chuyển hoá đối với phản ứng cân bằng ở 400°C (Kc = 0,41) Từ bảng trên chúng ta thấy rằng tỉ lệ chuyển hoá tăng lên đáng kể khi tăng áp suất từ 1 đến 630 bar. Từ đó giải pháp được tìm ra như sau : Thực hiện phản ứng ở một nhiệt độ thích hợp, không quá cao để đảm bảo mặt động học và thực hiện phản ứng ở áp suất cao để đảm bảo mặt nhiệt động. Tuy nhiên nếu áp suất quá cao đòi hỏi chi phí cho các thiết bị sản xuất rất đắt và có thể có nhiều nguy cơ kèm theo. Vì vậy giải pháp thực hiện ở áp suất quá cao không được chấp nhận. Fritz Haber (1868 ?" 1934) và Cari Bosch (1874 ?" 1940) là những người đầu tiên nghiên cứu so sánh hai mặt này. Sau một thời gian dài nghiên cứu họ đề nghị thống nhất một giải pháp có thể thực hiện được : Dùng chất xúc tác. Chất xúc tác có mặt trong hỗn hợp phản ứng với một lượng giới hạn, không làm thay đổi vị trí của cân bằng nhưng có tác dụng tăng tốc độ của phản ứng. Sau nhiều nghiên cứu, họ thấy rằng Fe với sự có mặt của các oxit của Al, Si, Mg và K có thể đáp ứng được yêu cầu. Nhờ sự khám phá này Haber đã nhận được giải thưởng Nobel năm 1919. Với chất xúc tác người ta có thể giảm nhiệt độ và áp suất trong quá trình tổng hợp NH3. Điều này đảm bảo sự an toàn cho quá trình hoạt động của thiết bị tổng hợp. Hiện nay công nghiệp sử dụng khoảng hơn 1000 bình phản ứng và mỗi ngày sản xuất trung bình khoảng 500 tấn NH3. Xúc tác cho phản ứng đã được cải tiến (dùng Ru trên chất mang graphit), nhưng nói chung áp suất và nhiệt độ không thay đổi nhiều : khoang từ 100 đến 200 bar, 350 đến 500°C. PLMFC - ENSHN Vous n'avez rien à donner, donnez votre place assise
Về phần công nghệ hoá học, các bác có thể vào trang này để tham khảo. Đây là giáo trình về CNHH của trường đại học Cần Thơ. http://www.ctu.edu.vn/coursewares/supham/congnghe_hoahoc/decuong.htm
