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.
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. 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:
Sơ đồ lưu trình công nghệ chuyển hóa metan bằng hơi nước có xúc tác.
1,3:thiết bị trao đổi nhiệt; 2:thiết bị làm lạnh khí sơ bộ; 4:lò ống; 5:tháp chuyển hóa metan (thứ 2);
6: nồi hơi-thu hồi; 7:tháp tăng ẩm;8:thiết bị trộn; 9:thiết bị chuyển hóa CO.
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.
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. 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.
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.
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.