sản xuất nh3

Download Sản xuất NH3

Post on 25-Nov-2015

475 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

GVHD: PGS. TS. Nguyn Hng LinCng ngh tng hp NH3CNG NGH SN XUT NH3M U3I.GII THIU V AMONIAC.41.Tnh cht vt l42. Tnh cht ho hc5II.NGUYN LIU TNG HP NH37III.C S HA L CA QU TRNH TNG HP NH3.82.Ccyu t nh hng n cn bng .83.Xc tc trong qu trnh tng hp NH3.9IV.CNG NGH SN XUT NH3.111.Sn xut kh tng hp112.Chuyn ha CO v tinh ch kh143.Tng hp NH317V.CC CNG NGH SN XUT NH3 TRN TH GII.191.S cng ngh tng hp NH3 ca hng UHDE19Chng VI27La chn v gii thiu cng ngh27VI.1. La chn cng ngh27VI.2. GIi thiu cng ngh28TI LIU THAM KHO.37

GVHD: PGS. TS. Nguyn Hng LinNhm 15: Nguyn Duy ThanhPhng Thanh QunNguyn Hu HngL Vn c

M UAmoniac (NH3) c ngha rt ln trong cng nghip. Vo nm 1909 Fritz Haber pht minh ra phn ng tng hp amoniac qui m phng th nghim. Nm 1913 c Carl Bosch a vo qui m pilot vi sn lng 30 tn/ngy v dn pht trin ti ngy nay.Amoniac l mt trong nhng hp cht ho hc c ngha c bit trong quan trng ngnh cng nghip ho hc v n c rt nhiu ng dng quan trng trong thc t.Trc y trong thi k Chin tranh Th gii th II, NH3 lng tng c thit k s dng lm thuc phng tn la.Trong cng nghip sn xut phn bn, Amoniac dng sn xut ra cc loi m, m bo s n nh v cung cp m cho vic pht trin nng nghip. Trong cng nghip thuc n, Amoniac c vai tr quyt nh trong vic sn xut ra thuc n. T NH3c th iu ch HNO3 sn xut cc hp cht nh: trinitrotoluen, nitroglyxerin, nitroxenlulo, pentaerythrytol tetryl, v amoni nitrat dng ch to thuc n.Trong ngnh dt, s dng NH3 sn xut cc loi si tng hp nh cuprammonium rayon v nilon.Trong cng nghip sn xut nha tng hp, NH3 c dng lm xc tc v l cht iu chnh pH trong qu trnh polyme ha ca phenol-formaldehyt v ure-formaldehyt tng hp nha.Trong cng nghip du m, NH3 c s dng lm cht trung ha trnh s n mn trong cc thit b ngng t axit, thit b trao i nhit, ca qu trnh chng ct. NH3 dng trung ha HCl to thnh do qu trnh phn hy nc bin ln trong du th. NH3 cng dng trung ha cc vt axit trong du bi trn axit ha.Trong qu trnh cracing xc tc lp si, NH3 thm vo dng kh trc khi a vo thit b kt ta cottrell thu hi xc tc s dng.NH3 dng iu ch aluminu silicat tng hp lm xc tc trong thit b cracking xc tc lp c nh. Trong cng nghip sn xut thuc tr bnh, NH3 l mt cht n quan trng sn xut cc dng thuc nh sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine. N cng c s dng sn xut cc loi thuc vitamin. Ngoi ra, NH3 cn c s dng trong lnh vc bo v mi trng chuyn ho SO2 v NOx t kh ng khi. Dung dch NH3 21% cn dng lm dung mi rt tt. Amoniac to c cc nitrua ti cng b mt thp, s dng Amoniac lm tc nhn lnh trong cc thit b lnh.

I. GII THIU V AMONIAC.1. Tnh cht vt l [1].Amoniac c cng thc phn t l NH3 l mt kh khng mu, nh hn khng kh, v c mi c trng. p sut kh quyn, NH3 ha lng ti -33,34oC (239,81oK), c trng lng ring 682 g/lit ti 4oC, ha rn ti -77,73oC (195,92oK), v vy nhit thng ngi ta phi lu tr NH3 lng di p sut cao(khong trn 10 atm ti 25,7oC).Do NH3 lng c entalpy (nhit bay hi) H thay i ln (23,35kJ/mol) nn cht ny c dng lm mi cht lm lnh. NH3 lng l mt dung mi ha tan tt nhiu cht v l mt trong nhng dung mi ion ha khng nc quan trong nht. N c th ha tan cc kim loi kim, kim th v mt s kim loi t him to ra cc dung dch kim loi (c mu), dn in v c cha cc electron solvat ha.

Bng 1. Cc c trng vt l ca NH3Khi lng phn t17,03

Th tch phn t ( 0oC, 101,3 KPa)22,08 L/mol

T trng pha lng0,6386 g/cm3

T trng pha kh0,7714 g/l

p sut ti hn 11,28 MPa

Nhit ti hn132,4 0C

T trng ti hn0,235 cm3/g

Th tch ti hn4,225 cm3/g

dn nhit ti hn0,522 Kj.K-1. h-1. m-1

nht ti hn23,90. 10-3 mPa.s

im nng chy-77,71 0C

Nhit nng chy332,3 Kj/Kg

p sut ha hi6,077 KPa

im si -33,43 0C

Nhit ha hi1370 Kj/Kg

Nhit to thnh tiu chun-45,72 Kj/mol

Entropi tiu chun192,731 J.mol-1.K-1

Entanpi to thnh t do-16,391 Kj/mol

Gii hn nHn hp NH3-O2(200C, 101,3KPa)Hn hp NH3-KK(200C, 101,3KPa)Hnhp NH3-KK(1000C, 101,3KPa)15 - 17 % V NH316 - 27 % V NH315,5- 28 % V NH3

2. Tnh cht ho hc V mt ho hc amoniac l cht kh hot ng. Vi cp electron t do nit, amoniac c kh nng kt hp d dng vi nhiu cht.Khi tan trong nc, amoniac kt hp vi ion H+ ca nc to thnh ion NH4+ v dung dch tr nn c tnh baz.NH3 + H+ = NH4+H2O H+ + OH v phn ng tng qut c th vit l:NH3 (dd) + H2O NH4+ + OHHng s phn ly ca NH3 trong dung dch 250C l:

K = Nh vy dung dch NH3 trong nc l mt baz yuKh NH3 d dng kt hp vi HCl to nn mui NH4Cl dng khi trng.NH3 + HCl = NH4ClKh amoniac c th chy khi t trong oxi cho ngn la mu vng to nn kh nit v nc.4NH3 + 3O2 = 3N2 + H2OKhi c platin hay hp kim platin - rodi lm cht xc tc 8000C 9000C, kh amoniac b oxy khng kh oxy ho thnh nit oxit.4Nh3 + 5O2 = 4NO + 6H2OTrong trng hp ny ngi ta thi nhanh hn hp kh i qua cht xc tc . Nu cho hn hp i chm qua si aming cha mui platin, phn ng xy ra khc:2NH3 + 2O2 = NH4NO3 + H2OClo v brm oxi ho mnh lit amoniac trng thi kh v trng thi dung dch.2Nh3 + 3Cl2 = N2 + 6HCli vi cc cht oxi ho khc, amoniac bn iu kin thng. Khi un nng n kh c oxit ca 1 s kim loi.3CuO + 2NH3 = N2 + 3H2O + 3Cu 800 9000C nhm tng tc vi kh amoniac to thnh nhm nitrua v hydro:2Al + 2NH3 = 2AlN + 3H2 nhit cao nhng nguyn t hydro trong phn t amoniac c th c ln lt th bng cc kim loi hot ng to thnh amiua (cha nhm NH2 ), imiua (cha nhm NH2-) v nitrua (cha ion N3-)2Na + 2NH3 = 2NaNH2 + H2

II. NGUYN LIU TNG HP NH3 [1], [2].C nhiu ngun nguyn liu khc nhau s dng cho qu trnh tng hp NH3 nh: than , du nng naphta, kh t nhin, kh ng hnh.Nguyn liu quan trng nht hin nay l cc nhin liu rn, kh l cc, H2 ca qu trnh in phn. Cc nguyn liu ny ch c dng trong iu kin c bit v ngy nay c rt t.Kh than t l nguyn liu tng lai sn xut NH3. Ngoi ra H2 sn xut bng qu trnh in phn nc cng l nguyn liu sn xut NH3.Bng sau y cung cp tng qut s liu cc ngun nguyn liu th cho nng sut NH3 trn th gii:

Bng 2. S liu cc ngun nguyn liu th dng sn sut NH3Nguyn liu1961/19621971/1972

103 tn/nm%103 tn/nm%

Kh l cc v than Kh t nhinNaphtaCc sn phm du khc280078002050295018501319460032100107003600963217

Tng cng1560010051000100

Theo s liu trn th ta thy cc nh my sn xut NH3 mi hu nh da vo ngun nguyn liu chnh l kh t nhin v naphta. Xu hng ny cng tip tc trong tng lai.

III. C S HA L CA QU TRNH TNG HP NH3.

Phn ng tng qut ca qu trnh tng hp NH3:N2 + 3H2 2NH3 + 91,44 (kJ/mol)y l phn ng thun nghch, ta nhit, gim th tch tin hnh trn xc tc st. 1.C ch ca phn ng tng hp amoniacC ch ca phn ng tng hp NH3 trn xc tc st xy ra nh sau:N2 + 2Fe 2N - Fe(1)H2 + 2Fe 2H - Fe(2)H-Fe + N-Fe NH - Fe + Fe(3)NH-Fe + H-Fe NH2-Fe + Fe(4)NH2-Fe + H-Fe NH3 + Fe (5)

2.Ccyu t nh hng n cn bng [2], [3].Phn ng tng hp NH3 l phn ng ta nhit, gim th tch nn theo nguyn l Le Chaterlie gim nhit v tng p sut s lm chuyn dch cn bng theo chiu thun v pha to sn phm NH3. th quan h nng NH3 lc cn bng ti cc nhit v p sut cho thy nhit cng thp nng NH3 cng tng.

Hnh III.1.

Theo th ny ta thy, cng mt nhit phn ng, p sut cng cao nng NH3 cn bng ya cng ln, tuy nhin s tng ny khng u. Khi p sut tng t 70 n 80 MPa th ya tng 2,5%. Khi p sut tng t 20 n 30 MPa th ya tng 5%. p sut thp ya tng mnh hn.3.Xc tc trong qu trnh tng hp NH3 [2], [3].Cng nh nhng phn ng thun nghch, ta nhit khc, nng cao nng NH3 trng thi cn bng, cn h thp nhit . Nhng nh vy khng th tng nhanh tc phn ng, cho nn phi dng xc tc nng cao tc phn ng.Cc nguyn t c c im l lp v in t th hai tnh t ngoi vo m khng bo ha th u c th lm xc tc cho qu trnh tng hp. Th d: Os, U, Fe, Mo, Mn, W, Trong U v Os c hot tnh cao nht. Nhng Os th qu t cn U th d b ng c bi hi nc, nn chng rt t c s dng. Fe nguyn cht c hot tnh trung bnh, nhng tui th ngn v d mt hot tnh; cn Mn, Mo, W, hot tnh khng bng st.Qua nhiu th nghim v nghin cu, cho n nay hu ht u dng xc tc c thnh phn ch yu l Fe v thm mt s ph gia.Trong cng nghip s dng hai loi xc tc st: Mt loi dng oxyt st, mt loi dng feric cyanua. Loi feric cyanua trc kia dng cho qu trnh p sut thp, tuy hot tnh cao nhng d v v d trng c cho nn hin nay t dng. Xc tc dng ch yu hin nay l xc tc oxyt st. Thnh phn ch yu ca oxyt st l oxyt st II v oxyt st III, thnh phn ph gia l cc oxyt kim loi: Al2O3, CaO, Hg2O,Ni chung trong xc tc oxyt st hm lng FeO vo khong 24 - 38% trng lng. Nu tng hm lng FeO mt cch hp l th c th nng cao tnh chu nhit v tng bn ca xc tc. T l Fe2+/Fe3+ xp x bng 0,5 tng ng vi Fe3O4.Ngoi ra, cc oxit t him nh Sm2O3 , HoO3 , Fr2O3 cng gp phn tng hot tnh xc tc. Trong qu trnh hot ho cc oxit ny b kh thnh kim loi v to hp kim vi st. Cng vi nhng pht minh trong ch to, hot tnh xc tc tng r rt, nhit v p sut lm vic u gim, to iu kin lm bin i cng ngh nh h p sut tng hp xung ph bin mc 10 15 MPa nhit lm vic c th gim xung 3600C, thm ch 3500C, mang li nhng gi tr kinh t cao.

C th gii thch tc dng ca ph gia nh sau:Mng li tinh th ca Fe3O4(FeO.Fe2O3) khi thm Al2O3 vo th n c th tc dng vi FeO hnh thnh Fe.Al2O4(FeO.Al2O3). Cho nn Fe3O4 v Fe.Al2O4 d hnh thnh hn tinh(hn hp tinh th). Sau khi xc tc st b H2 hon nguyn thnh - Fe, cn Al2O3 khng b hon nguyn. Nu khng thm Al2O3 th do khong cch mng li tinh th ca Fe3O4 v - Fe khc nhau, cho nn khi kt tinh st rt d xy ra hin tng kt tinh li, khi c Al2O3 th n nm kt gia, ngn nga s ln ln ca nhng tinh th st nh. Khi din tch b mt ln, nng cao nng lng d ca b mt lm cho hot tnh cng tng.Ngoi ra khi hm lng Al2O3 tng i cao th tnh chu nhit ca xc tc cng tng. V d: Cc xc tc cha 3,5 - 4,5% Al2O3 ; 4,5 - 5,5% Al2O3 v 11 - 12% Al2O3 (cn c 2% K2O) th phm vi nhit s dng di 5000C , 500 - 570oC v 600 - 650oC.Nhng nu hm lng Al2O3 qu nhiu cng c hi v khi kh tin hnh hon nguyn xc tc oxit st, mt khc do Al2O3 th hin tnh axit nn gy kh khn cho qu trnh nh NH3 sinh ra b mt . Tc dng ca K2O: Theo thuyt in t v xc tc th trong qu trnh hp ph N 2 v H2 trng thi kh to thnh NH3v trong qu trnh gii hp NH3, kh hp ph u cn in t t xc tc cho nn khi thm K2O vo xc tc s lm cho in t d thot ra, do c li cho qu trnh ny. Cho nn sau khi thm Al2O3 th nn thm K2O.Theo nghin cu gn y, ngi ta cho rng khi thm K2O th cn lm tng kh nng chu c ca xc tc khi gp H2S.Ngoi ra, gn y cn c xu hng thm cc ph gia nh CaO, SiO2. Sau khi thm th tng c tnh n nh. Cc loi xc tc khc lm tng