Mở đầu Amoniac hợp chất hoá học có ý nghĩa đặc biệt quan trọng ngành cơng nghiệp hố học có nhiều ứng dụng quan trọng thực tế: Trong công nghiệp sản xuất phân bón, Amoniac dùng để sản xuất loại đạm, đảm bảo ổn định cung cấp đạm cho việc phát triển phát triển nơng nghiệp Góp phần bảo đảm an ninh lương thực, thực công nghiệp hố đại hố đất nước Trong cơng nghiệp thuốc nổ, Amơniac có vai trị định việc sản xuất thuốc nổ Từ NH3 điều chế HNO3 để sản xuất hợp chất như: di, tri nitrotoluen, nitroglyxêrin, nitroxenlulo, pentaerythrytol tetryl, amoni nitrat dùng để chế tạo thuốc nổ Trong ngành dệt, sử dụng NH3 để sản xuất loại sợi tổng hợp cuprammonium rayon nilon Trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, NH dùng làm xúc tác chất điều chỉnh pH trình polyme hóa phenol-formaldehyt urêformaldehyt tổng hợp nhựa Trong cơng nghiệp dầu mỏ, NH3 sử dụng làm chất trung hòa để tránh ăn mòn thiết bị ngưng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt, trình chưng cất NH3 dùng để trung hịa HCl tạo thành trình phân hủy nước biển lẫn dầu thơ NH3 dùng để trung hịa vết axit dầu bơi trơn axit hóa Trong q trình cracing xúc tác lớp sơi, NH thêm vào dịng khí trước đưa vào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc tác sử dụng NH3 dùng để điều chế aluminu silicat tổng hợp làm xúc tác thiết bị cracking xúc tác lớp cố định Trong q trình hydrat hóa silic, NH kết tủa với nhôm sunfat ( Al2(SO4)3) để tạo dạng gel Sau rửa tạp chất Al 2(SO4)3 sấy khơ tạo hình Trong cơng nghiệp sản xuất thuốc trị bệnh, NH3 chất độn quan trọng để sản xuất dạng thuốc sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine Nó sử dụng để sản xuất loại thuốc vitamin Ngồi ra, NH3 cịn sử dụng lĩnh vực bảo vệ mơi trường để chuyển hố SO2 NOx từ khí ống khói Dung dịch NH3 21% cịn dùng làm dung môi tốt Amoniac tạo nitrua để cứng bề mặt thép, sử dụng Amoniac làm tác nhân lạnh thiết bị lạnh Amoniac có nhiều ứng dụng thực tế đề tài “ Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên” có ý nghĩa thực tế sâu sắc Mục đích đề tài sử dụng nguồn ngun liệu khí tự nhiên sẳn có nước ta cách có hiệu để sản xuất Amoniac làm chất hoá học trung gian phục vụ trình tổng hợp sản phẩm có ích đáp ứng nhu cầu cho kinh tế quốc dân Mặc khác đề tài đưa phương hướng việc nâng cao giá trị sử dụng nguồn ngun liệu khí tự nhiên Trong khn khổ đồ án này, em xin giới thiệu tính tốn cụ thể để thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 suất 200.000 tấn/năm Nội dung đồ án gồm phần sau: Phần I: Tổng quan lý thuyết Phần II: Tính tốn cơng nghệ Phần III: Xây dựng Phần IV: Tính tốn kinh tế Phần V: An tồn lao động Tuy có nhiều cố gắng đồ án tránh khỏi thiếu sót định, mong góp ý Thầy, Cơ giáo bạn PHầN I: TổNG QUAN Lý THUYếT Chương I Giới thiệu amoniac I.1 Cấu tạo phân tử NH3 [14] NH3 có ngun tử nitơ ngun tử hiđrơ Nguyên tử N có electron lớp vỏ, tương ứng với số điện tích hạt nhân Trong đó, cặp electron trạng thái 1s, cịn electron phân bố vào obitan với số lượng tử Trong electron có cặp chiếm obitan 2s electron không cặp đôi phân bố obitan 2Px, 2Py, 2Pz Các electron khơng cặp đơi N kết hợp với electron 1s nguyên tử H Vì ta có: H :N + 3H H :N H Nguyên tử N nằm đỉnh hình tứ diện nằm phằng nguyên tử H, nguyên tử H xếp theo hình tam giác đều, góc liên kết H-N-H khoảng 107O Mặc dù liên kết N-H liên kết cộng hóa trị chúng có phần giống liên kết ion, ngn tử N có độ âm điện lớn H nhiều Do phân cực hóa liên kết cách xếp bất đối phân tử NH3 mà có mơmen lưỡng cực khoảng 1,5 Debye N Vì phân tử NH3 có cấu hình electron với nước, o góc hóa trị tương tự nước nên NH3 H2O có nhiều tính chất giống nhau, chất nghịch từ o H o H o H I.2 Tính chất vật lý:[14] Amơniac có cơng thức phân tử NH3 khí khơng màu, nhẹ khơng khí, có mùi đặc trưng Bảng I.1 Các đặc trưng vật lý NH3 Khối lượng phân tử Thể tích phân tử ( 0oC, 101,3 KPa) Tỉ trọng pha lỏng Tỉ trọng pha khí áp suất tới hạn Nhiệt độ tới hạn tỉ trọng tới hạn Thể tích tới hạn độ dẫn nhiệt tới hạn độ nhớt tới hạn điểm nóng chảy Nhiệt nóng chảy áp suất hóa điểm sơi Nhiệt hóa Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Entropi tiêu chuẩn Entanpi tạo thành tự Giới hạn nổ Hỗn hợp NH3-O2(200C, 101,3KPa) Hỗn hợp NH3-KK(200C, 101,3KPa) Hỗn hợp NH3-KK(1000C, 101,3KPa) 17,03 22,08 l/mol 0,6386 g/cm3 0,7714 g/l 11,28 MPa 132,4 0C 0,235 cm3/g 4,225 cm3/g 0,522 Kj.K-1 h-1 m-1 23,90 10-3 mPa.s -77,71 0C 332,3 Kj/Kg 6,077 KPa -33,43 0C 1370 Kj/Kg -45,72 Kj/mol 192,731 J.mol-1.K-1 -16,391 Kj/mol 15 - 17 % V NH3 16 - 27 % V NH3 15,5- 28 % V NH3 I.3 tính chất hóa học:[14],[15]  NH3 cộng thêm ion để tạo ion phức NH4+ NH3 + H+ NH4+ NH4+ giống ion kim loại kiềm tính kiềm thuộc tính tạo muối Các dung dịch ngậm nước NH3 phản ứng bazơ yếu, dung dịch nước có q trình: NH3 + H30+ NH4+ + OH-  NH3 không cháy điều kiện thường, cháy với lửa màu vàng áp suất oxi điểm bốc cháy hỗn hợp NH3-O2 7800C sản phẩm q trình cháy N2 H2O 4NH3 + 3O2 N2 + 6H2O Trong điều kiện thích hợp, hỗn hợp NH3- khơng khí phát nổ cháy hỗn hợp nổ NH3 khơ với khơng khí 16-25 % V NH giới hạn mở rộng trộn lẫn với khí cháy H 2, trộn O2 hay khơng khí, nhiệt độ áp suất cao  Khí NH3 bị oxi hóa tạo H2O N2 nhiều hợp chất oxyt CuO Nếu dịng khí NH3 chuyển qua CuO nung nóng có phản ứng: CuO + 2NH3 3Cu + N2 + 3H2O Loại phản ứng xảy NH3 nung nóng tới nhiệt độ cao với oxyt kim loại xác định lúc liên kết oxy bền vững Các chất oxy hóa đủ mạnh xảy phản ứng tương tự nhiệt độ thường Ví dụ với KMnO4  Phản ứng+giữa Cl2 với NH3 2KOH có+ thể xem là+ phản oxy hóa khử 2NH3 2KMnO4 2MnO2 2H2Oứng + N2 8NH3 + 3Cl2 N2 + 6NH4Cl  NH3 bị oxy hóa tạo NO hỗn hợp 100 % NH với khơng khí có mặt xúc tác nhiệt độ cao: Pt 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O  nhiệt độ thường NH3 khí bền vững nhiệt độ cao bắt đầu phân hủy thành N2 H2 Tốc độ trình phân hủy chịu ảnh hưởng chất NH với khí tạo thành tiếp xúc  nhiệt độ thường, NH3 hịa tan K, Na tốc độ chậm, vài ngày 2K + 2NH3 2Na + 2NH3 2KNH2 + H2 Amid kali 2NaNH2 + H2 Amid natri Liti amid tạo thành Li bị nung nóng dịng khí NH có mặt xúc tác Pt đen  Khi nung NH3 với kim loại hoạt động Mg nitrit (hợp chất kim) tạo thành 3Mg + 2NH3 Mg3N2 + 3H2  Cl2, Br2, I2 phản ứng với NH3 Các trạng thái ban đầu phản ứng giống nhau, sản phẩm cuối khác  NH3 phản ứng với P nóng đỏ tạo N2 PH3 2NH3 + 2P 2PH3 + 3N2  Hơi S phản ứng với NH3 tạo amoni sunfit nitơ 8NH3 + 3S 2(NH4)2S + N2  S củng phản ứng với NH3 lỏng tạo nitơ sunfit 10S + 4NH3 6H2S + N2S4  NH3 tạo thành vô số hợp chất cộng hợp hay hợp chất phối trí Các hợp chất cộng có tính chất tương tự hyđrat Vì CaCl 2.6NH3 CuSO4 giống CaCl2.6H2O CuSO4.5H2O Các hợp chất phối trí gọi ammines viết giống phức [Cu(NH4)4]SO4  Một tính chất quan trọng NH tính kiềm dung dịch nước Dung dịch NH3 biến q đỏ thành xanh, chất thị cho metyl dacam metyl đỏ  Khí NH3 trung hịa axit mà khơng tạo thành nước Dung dịch NH có tác dụng bazơ chổ tạo kết tủa hyđrôxyt từ dung dịch chúng Một vài hợp chất khó tan, dung dịch NH dư tạo phức ion Ví dụ muối sắt hợp chất sắt hyđrôxyt bị kết tủa FeCl3 + 3NH4OH Fe(OH)3 + 3NH4Cl Dung dịch đồng sunfat dung dịch amôni hyđrôyt dư tạo thành phức: CuSO4 + 2NH4OH Cu(OH)2 4NH3 + Cu2+ Cu(OH)2 + (NH4)2SO4 Cu2+ + 2OH[Cu(NH3)]42+ Chương II Nguyên liệu để tổng hợp NH3 ([1], [15]) Có nhiều nguồn nguyên liệu khác sử dụng cho trình tổng hợp NH như: than đá, dầu nặng naphta, khí tự nhiên, khí đồng hành Nguyên liệu quan trọng nhiên liệu rắn, khí lị cốc, H q trình điện phân Các nguyên liệu dùng điều kiện đặc biệt ngày có Khí than ướt nguyên liệu tương lai để sản xuất NH Ngồi H2 sản xuất q trình điện phân nước nguyên liệu sản xuất NH3 Bảng sau cung cấp tổng quát số liệu nguồn nguyên liệu thô cho suất NH3 giới: Bảng II.1 Số liệu nguồn nguyên liệu thô dùng sản suất NH3 Nguyên liệu 1961/1962 1971/1972 3 10 tấn/năm % 10 tấn/năm % Khí lị cốc than đá 2800 18 4600 Khí tự nhiên 7800 50 32100 63 Naphta 2050 13 10700 21 Các sản phẩm dầu khác 2950 19 3600 Tổng cộng 15600 100 51000 100 Theo số liệu ta thấy nhà máy sản xuất NH dựa vào nguồn nguyên liệu khí tự nhiên naphta Xu hướng tiếp tục tương lai Chương III Cơ sở hóa lý q trình tổng hợp NH3 Phản ứng tổng quát trình tổng hợp NH3: N2 + 3H2 2NH3 + 91,44 Kj/mol Đây phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích tiến hành xúc tác sắt Dưới xét số vấn đề phản ứng thuộc loại III.1 Cân phản ứng hiệu ứng nhiệt phản ứng: [1], [4] Hằng số cân biểu diễn biểu thức: PNH KP  PN PH 2 PNH PN PH 3, 2, áp suất riêng phần cấu tử NH3, N2, H2 Trong Hằng số cân tính theo phương trình Van'tHoff : d(lnKP ) ΔHH  dT RT Phương pháp có độ xác khơng cao khó xác định giá trị nhiệt dung đẳng áp cấu tử áp suất cao định luật Dalton áp suất riêng phần có sai số lớn áp dụng với khí thực Sử dụng phương pháp tính theo Phugat cho kết phù hợp hơn:  2 f NH  NH PNH Kf  1/2 3/2 f N f H 2  3  N  H 2  PN PH Trong đó: f  i fugat cấu tử i lúc cân P  i áp suất riêng phần cấu tử i lúc cân   i hệ số fugat cấu tử i, tính theo cơng thức: f   i i Pi Hệ số fugat  i cấu tử i phụ thuộc vào nhiệt độ rút gọn rút gọn P Pr  PC Ta có: áp suất  NH Nếu đặt : T Tr  TC K   N  H3 KP  PNH PN PH2 K f K K P Trong K P tính theo phương trình thực nghiệm : 2074,18 lg K P   2,4943lgT βTT  1,856410 T  I T :  T nhiệt độ trung bình trình phản ứng , K   hệ số phụ thuộc vào áp suất, 300 at  = 1,256.10-4  I số tích phân , I = - 2,206 Xác định KP cho phép ta xác định nồng độ NH3 lúc cân theo công thức sau : 308 K P y a2  200y  y a  104 0 P Trong đó:  y a nồng độ NH lúc cân bằng, % thể tích  K P số cân phản ứng  P áp suất trung bình tháp , at Hiệu ứng nhiệt phản ứng phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ, xác định theo công thức: 840,6 459 10 Q 9157  (0,545   ) P  5,35 T  2,52 10 T  16,69 10 T 3 T T Với :  T nhiệt độ , k  Q hiệu ứng nhiệt , Kj/mol III.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng: [1], [4]