Dây chuyền sản xuất axit nitric

Với những yêu cầu bức thiết đó, là những sinh viênchuyên ngành hoá bọn em quyết định chọn chủ đề sản xuất axit nitric – là một hoáchất được sử dụng ở quy mô lớn trong sản xuất các loại p

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT

*******

THẢO LUẬN

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG CHỦ ĐỀ 2: TÌM HIỂU VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

AXIT NITRIC Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Duy

Sinh viên thực hiện : Tạ Huy Ánh

Nguyễn Anh Sơn Nguyễn Thị Thanh Đoàn Thị Thêm

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT

*******

THẢO LUẬN

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG CHỦ ĐỀ 2: TÌM HIỂU VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT AXIT NITRIC Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Duy

Sinh viên thực hiện : Tạ Huy Ánh

Nguyễn Anh Sơn Nguyễn Thị Thanh Đoàn Thị Thêm

Hà Nội, tháng 09 năm 2016

M c l c ụ ụ

PHẦN I : TỔNG QUAN 1

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 2

CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA AXIT NITRIC .4

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA AXIT NITRIC 7

CHƯƠNG IV: TỔNG HỢP VÀ SẢN XUẤT AXIT NITRIC 9

PHẦN II: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 11

1 Quá trình sản xuất HNO 3 lỏng 11

2 Sơ đồ công nghệ sản xuất HNO 3 dưới áp suất thường 13

3 Sản xuất axit nitric dưới áp suất cao 15

PHẦN III: THẢO LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 20

1 Đặc điểm thiết bị chứa axit nitric 20

2 Một số loại bình chứa 20

a Bể chứa axit nitric bằng nhôm với công suất khác nhau 20

b Bể chứa axit nitric bằng thép không gỉ và thép cacbon 21

c Một số dụng cụ chứa khác 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

PHẦN I : TỔNG QUAN

MỞ ĐẦU

Ngày nay, yêu cầu ngày càng cao đối với việc gia tăng năng suất thu hoạch câytrồng nhằm đáp ứng nhu cầu thực phẩm khi dân số thế giới liên tục gia tăng đãkhuyến khích nông dân các nước tăng cường sử dụng các loại phân bón tổng hợp.Đặc biệt, Việt Nam là một nước nông nghiệp thì việc sử dụng phân bón để tăngnăng suất cây trồng là một vấn đề cần quan tâm Hơn nữa, Việt Nam đang trên đàphát triển thực hiện công nghiệp hoá, hiện đại hoá, ngành công nghiệp là ngànhđang được phát triển mạnh kéo theo một ngành phát triển không kém làm công cụ

đó là ngành công nghiệp hoá chất Việc đưa ra các quy trình công nghệ cũng nhưcác thiết bị phản ứng và các kỹ thuật phản ứng là một vấn đề trọng điểm để thựchiện mục tiêu Dân gian có câu “ Có thực mới vực được đạo” cho thấy được tầmquan trọng của ngàng nông nghiệp là lâu bền mãi mãi Để ngàng nông nghiệp pháttriển, thu được năng suất cao thì việc áp dụng các ứng dụng của công nghệ sinh họctrong việc cải thiện giống cây trồng thì nhân tố phân bón cũng là một nhân tố cóyếu tố quyết định quan trọng Với những yêu cầu bức thiết đó, là những sinh viênchuyên ngành hoá bọn em quyết định chọn chủ đề sản xuất axit nitric – là một hoáchất được sử dụng ở quy mô lớn trong sản xuất các loại phân bón như amoni nitrat

và canxi amoni nitrat Amoni nitrat có thể được sử dụng tiếp để sản xuất urê amoninitrat (UAN) - nguyên liệu sản xuất thuốc nổ và phân bón Sau đây, nhóm em xinmời thầy cô và các bạn tham khảo bài tiểu luận của chúng em Do kiến thức cònhạn hẹp cũng như thời gian tìm hiểu chưa được nhiều còn điểu gì chưa đúng vàthiếu sót mong thầy cô và các bạn góp ý

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về axit nitric

1.1.1 Khái niệm

Axít nitric là một hợp chất hóa học có công thức hóa học HNO3, là một

dung dịch nitrat hiđrô (axít nitric khan) Axit nitric tinh khiết là chất lỏng khôngmàu, bốc khói mạnh trong không khí ẩm.Trong tự nhiên, axít nitric hình thànhtrong những cơn mưa giông kèm sấm chớp và hiện nay chúng là một trong nhữngtác nhân gây ra mưa axít

Nó là một chất axít độc và ăn mòn có thể dễ gây cháy Axit nitric tinh khiếtkhông màu sắc còn nếu để lâu sẽ có màu hơi vàng do sự tích tụ của các ôxít nitơ

Nếu một dung dịch có hơn 86% axít nitric, nó được gọi là axít nitric bốc khói.

Axít nitric bốc khói có đặc trưng axít nitric bốc khói trắng và axít nitric bốc khó đỏ,tùy thuộc vào số lượng điôxít nitơ hiện diện

- Theo nghiên cứu mới công bố của Công ty nghiên cứu thị trường GrandView Research, thị trường axit nitric được dự báo sẽ tăng trưởng mạnh trong thời

loại phân bón amoni nitrat trong sản xuất nông nghiệp sẽ là động lực then chốt cho

sự tăng trưởng của thị trường axit nitric

- Đa số các nước Châu á - Thái Bình Dương là những nền kinh tế dựa trênnông nghiệp, vì vậy nhu cầu đối với các loại phân bón amoni nitrat ở đây sẽ là độnglực quan trọng cho thị trường axit nitric trong những năm tới Hơn nữa, trong thờigian qua những quy định khắt khe về bảo vệ môi trường ở châu Âu và Bắc Mỹ đãdẫn đến sự dịch chuyển nhu cầu một số sản phẩm sản xuất từ axit nitric về phía cácnền kinh tế mới nổi, nhất là ở châu á Do đó, trong thời gian tới Châu á - Thái BìnhDương có khả năng sẽ trở thành thị trường axit nitric phát triển nhanh nhất trên thếgiới

- Ngoài phân bón, sự phát triển của các ngành công nghiệp sử dụng axit nitrictại Châu á - Thái Bình Dương, ví dụ sản xuất nội thất, xây dựng, sản xuất xe ô tô

và hóa chất dự kiến sẽ là yếu tố then chốt tiếp theo thúc đẩy sự tăng trưởng của thịtrường axit nitric tại đây Đặc biệt, xu hướng dịch chuyển các nhà máy sản xuất xe

ô tô từ châu Âu đến Châu á - Thái Bình Dương, nhất là ấn Độ và Trung Quốc, sẽtiếp tục hỗ trợ sự phát triển của thị trường axit nitric

- Xu hướng sử dụng ngày càng nhiều amoni nitrat làm thuốc nổ trong ngànhkhai thác khoáng sản tại Bắc Mỹ cũng sẽ hỗ trợ triển vọng tăng trưởng của thịtrường axit nitric trong những năm tới

- Thị trường axit nitric tại các nước Trung và Nam Mỹ, đặc biệt là Mêhicô vàBraxin, dự kiến sẽ có triển vọng tăng trưởng mạnh nhờ sự phát triển mạnh mẽ củangành sản xuất hóa chất

- Tuy Đông Âu và Tây Âu chiếm tỷ lệ lớn nhất trong nhu cầu axit nitric củakhu vực, nhưng Trung Âu dự kiến sẽ là cơ hội tốt hơn cho các nhà sản xuất axitnitric trong vài năm tới

CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA AXIT NITRIC 2.1 Cấu tạo

Ở trạng thái hơi, phân tử axit nitric có cấu tạo phẳng:

2.2 Các tính chất

2.2.1 Tính chất của axit nitric

2.2.1.1 Tính chất vật lí của axit nitric

- Acid nitric ở nhiệt độ thường là chất lỏng không màu ,bốc khói dễ bịphân hủy bởi ánh sáng mặt trời

4HNO3 = 2H2O +4NO2 +O2

- Axít nitric khan tinh khiết (100%) là một chất lỏng với tỷ trọng

khoảng 1522 kg/m3 đông đặc ở nhiệt độ -42 °C tạo thành các tinh thể trắng, sôi

tại áp suất 1 atm Có hai chất hydrat được biết đến; monohydrat (HNO3·H2O)

và trihydrat (HNO3·3H2O)

2.2.1.2 Tính chất hoá học của axit nitric

Axít nitric là một monoaxít mạnh, một chất ôxi hóa mạnh có thể nitrat hóanhiều hợp chất vô cơ và là một axít monoproton vì chỉ có một sự phân ly

a) Tính Axit

- Axít nitric là một monoaxít mạnh, một chất ôxi hóa mạnh có thể nitrat

hóa nhiều hợp chất vô cơ và là một axít monoproton vì chỉ có một sựphân ly

- Là một axít điển hình, axít nitric phản ứng với chất kiềm, ôxít

bazơ và cacbonat để tạo thành các muối, trong số đó quan trọng nhất làmuối amoni nitrat

- Axít nitric là một axít mạnh với một hắng số cân bằng axít (pKa) = −2:trong dung dịchnước, nó hoàn toàn điện ly thành các

ionnitrat NO3− và một protonhydrat, hay còn gọi là ion hiđrôni, H3O+

HNO3 + H2O → H3O+ + NO3

-b, Tính oxi hoá

- Là một chất ôxi hóa mạnh, axít nitric phản ứng mãnh liệt với nhiều

chất hữu cơ và phản ứng có thể gây nổ

- Tất cả các kim loại ,trừ 1 số á kim (platin, vàng ,Rodi ) đều

bị HNO3 đậm đặc oxi hóa tạo thành oxit

- Phản ứng với phi kim: Khi phản ứng với các nguyên tố á kim, ngoại

trừ silic và halogen, các nguyên tố này thường bị ôxi hóa đến trạngthái ôxi hóa cao nhất và tạo ra điôxít nitơ đối với axít đặc và ôxítnitơ đối với axít loãng

C + 4HNO3 → CO2 + 4NO2 + 2H2O hoặc 3C + 4HNO3 → 3CO2 + 4NO + 2H2O

3P + 5HNO3 + 2H2O → 3H3PO4 + 5NO

- Do axít nitric là một chất ôxi hóa, hiđrô (H) thường hiếm khi được tạo

ra Cho nên khi kim loại phản ứng với axít nitric loãng và lạnh (gần

0 °C) thì mới giải phóng hiđrô:

Mg(rắn) + 2HNO3 (lỏng) → Mg(NO3)2 (lỏng) + H2 (khí)Hỗn hợp của một thể tích axit nitric đặc và ba thể tích axit clohidric đặc đượcgọi là nước cường thuỷ Cường thuỷ oxi hoá mạnh hơn axit nitric nhiều, chẳng hạn

nó có thể hoà tan vàng, platin

 Sự thụ động hóa

Dù Crôm (Cr), sắt (Fe), coban (Co), niken (Ni) mangan (Mn) và nhôm (Al) dễ hòa tan trong dung dịch axít nitric loãng, nhưng đối với axít đặc nguội lại tạo một lớp ôxít kim loại bảo vệ chúng khỏi bị ôxi hóa thêm, hiện tượng này gọi là sự thụ động hóa

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA AXIT NITRIC

Axit nitric là một trong những hoá chất cơ bản rất quan trọng Nó được dùng nhiềuvào việc điều chế thuốc nổ, phân bón, phẩm nhuộm, hoá chất và dược phẩm Axitnitric còn được dùng để thay thế oxi trong kỹ thuật tên lửa Nó cũng là một hoáchất thông dụng ở trong phòng thí nghiệm

3.1 Trong phòng thí nghiệm

- Thường được dùng làm thuốc thử trong phòng thí nghiệm, axit nitric được sử

dụng để sản xuất thuốc nổ bao gồm nitroglycerin

(C3H5(NO3)3), trinitrotoluen (TNT) và cyclotrimethylenetrinitramin (RDX), cũng như phân bón (như phân đạm một lá nitrat amoni)

- Axit nitric cũng được sử dụng trong phòng thí nghiệm trường học để tiến

hành các thí nghiệm liên quan đến việc thử clorit Cho axit nitric tác dụngvới mẫu thử, sau đó cho dung dịch bạc nitrat vào để tìm kết tủa trắng của bạcclorua

- Trong kỹ thuật ICP-MS và ICP-AES, axit nitric (với nồng độ từ 0,5% đến

2,0%) được sử dụng như một hợp chất nền để xác định dấu vết kim loại trongcác dung dịch Trong kỹ thuật này cần phải dùng axit nitric cực tinh khiết vìmột số lượng ion kim loại nhỏ có thể gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích

- Ngoài ra, axit nitric còn được dùng làm chất thử màu (colorometric test) để

phân biệt heroin và morphine

- Axít đặc làm cho màu da người chuyển qua màu vàng do phản ứng với

chất protein keratin Vết màu vàng này sẽ chuyển thành màu cam khi đượctrung hòa

3.2 Ứng dụng trong công nghiệp

- Axít nitric ( HNO3 )được dùng trong oxi hóa hữu cơ để sản xuất axit

C6H4(COOH)2 và các hợp chất khác Sử dụng axit nitric để sản xuất thuốc nổ

từ nitro hóa hữu cơ.Nitro hóa axit nitric được dùng trong điều chế nitrobenzenđể, đinitrobenzen và các hợp chất trung gian Mặc khác dùng axítnitric tạo vàng và bạc tách,đạn dược quân sự, thép và một loại đồngngâm,khắc bằng ánh sáng và sự axít hóa của quặng phốt phát

- Một trong những ứng dụng cho IWFNA là một chất ôxi hóa trong nhiên liệu

lỏng tên lửa

- Axít này còn được sử dụng trong ngành luyện kim và tinh lọc vì nó phản ứng

với phần lớn kim loại và trong các tổng hợp chất hữu cơ Khi kết hợp với axítclohyđric, nó tạo thành nước cường toan, một trong những chất phản ứng cóthể hòa tan vàng và bạch kim (platinum)

- Axít Nitric là một chất ôxi hóa mạnh, và các phản ứng của axít nitric với các

hợp chất như cyanit, carbit, và bột kim loại có thể gây nổ Các phản ứng của

axít nitric với nhiều hợp chất vô cơ như turpentine, rất mãnh liệt và tự bốccháy.

CHƯƠNG IV: TỔNG HỢP VÀ SẢN XUẤT AXIT NITRIC 4.1 Trong phòng thí nghiệm

Axit nitric có thể điều chế bằng cách cho nitrat đồng (II) hoặc cho phản ứngnhững khối lượng bằng nhau nitrat kali (KNO3) vơi axit sulfuric (H2SO4) 96%,

và chưng cất hỗn hợp này tại nhiệt độ sôi của axit nitric là 83 °C cho đến khi cònlại chất kết tinh màu trắng, kali hidrosunfat (KHSO4), còn lưu lại trong bình

Axit nitric bốc khói đỏ thu được có thể chuyển thành axit nitric màu trắng.Cần lưu ý khi thí nghiệm thì phải dùng các trang thiết bị bằng thủy tinh, hay nhất làbình cổ cong nguyên khối do axit nitric khan tấn công cả nút bần, cao su và da nên

sự rò rỉ có thể cực kỳ nguy hiểm

H2SO4 + KNO3 → KHSO4 + HNO3

Chất NOx hòa tan được loại bỏ bằng cách sử dụng áp suất giảm tại nhiệt độphòng (10-30 phút với áp suất 200 mmHg hay 27 kPa) Axit nitric bốc khói trắngthu được có tỷ trọng 1.51 g/cm³ Quy trình này cũng được thực hiện dưới áp suất vànhiệt độ giảm trong một bước để tạo ra ít khí điôxit nitơ hơn.

4.2 Các phương pháp sản xuất trong công nghiệp

Có 3 phương pháp sản xuất axit nitric – HNO3

 Phương pháp 1: Sản xuất axit nitric từ natri nitrat.

 Phương pháp 2: Hồ quang trực tiếp sản xuất từ N2 và O2 , Phương

pháp này tiêu hao năng lượng điện nên hạn chế qui mô công nghiệp

 Phương pháp 3: Oxy hóa amoniac bằng oxy không khí

- Oxy hóa amoniac – NH3 bằng phương pháp tiếp xúc bằng NO

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

- Oxy hóa NO thành NO2:

2NO + O2 = 2NO2

- Hấp thụ NO2:

3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO

- Phương pháp này chỉ chế tạo được axit HNO3 loãng có nồng độ 50 – 60%, để được axit nitric đặc 96 - 98% phải qua quá trình cô đặc, hiện nay người ta dùng phương pháp tổng hợp trực tiếp để được axit nitric đặc

2N2O4 + 2H2O + O2 = 4HNO3

PHẦN II: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

1 Quá trình sản xuất HNO 3 lỏng

a Cơ sở lý thuyết

- Gồm có 3 giai đoạn sau

 Oxi hóa NH3 bằng oxi tạo thành NO

 Oxi hóa NO thành NO2

 Hấp thụ NO2 vào nước

 Oxi hóa amôniac thành NO:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

- Xúc tác là hợp kim Pt - Rh (5 - 10% Rh)

- Áp suất thường và nhiệt độ là 750 – 850OC, hỗn hợp NH3 trong khôngkhí có nồng độ 10 - 11% Người ta thường dùng loại thiét bị tiếp xúcgồm 3 thiết bị :

- Trên cùng là thiết bị lọc cactong

- Thiết bị oxi hóa (ở giữa )

- Dưới cùng là nồi hơi - thu hồi

1 Thiết bị lọc 2.Cửa khí 3.Lưới phân phối 4.Lưới xúc tác 5.Vòng kim loại 6.Lớp gạch chịu nhiệt

Sơ đồ nguyên lý bộ phân chủ yếu của thiết bị tiếp xúc.

- Hỗn hợp khí NH3 đi vào thiết bị lọc (1) rồi theo các cửa trên dẫn khí (2) đixuống phần thiết bị oxi hóa qua lưới phân phối (3) xuống lưới xúc tác (4) Phíadưới lưới (4) có vòng kim loại (5) để giữ các hạt xúc tác và tích nhiệt

- Ngoài ra còn diễn ra theo các phản ứng sau:

4NH3 +5O2 4NO + 6H2O+ 907,3 (KJ) (a)4NH3 +4O2 2N2O + 6H2O +1104,9 (KJ) (b)4NH3 +3O2 2N2 + 6H2O + 1269,1 (KJ) (c)

• Theo phương trình (a) cứ 1 mol NH3 cần 1.25 mol O2 nhưng nếu không chế

ở đk đó thì hiệu suất sẻ oxiho thấp.để tăng hx chuyển hóa NH3 thành NOngười ta thường dùng dư O2 so với phương trình cụ thể là o2 lớn hơn 1.7 lần

so với NH3

• Thành phần NH3 có trong không khí là 14,4% (V)

Oxi hóa NO thành NO

- Xảy ra theo phương trình :

- Axit nitro kém bền và bị phân hủy theo phản ứng:

3HNO2  HNO3 + 2NO + H2O

- NO sinh ra trong quá trình hấp thụ được tiếp tục oxi hóa tạo raNO2

2NO + O2  2NO2 + Q

- Phương trình tổng quát

3NO2 + H2O  2HNO3 + NO

- Để nâng cao hiệu suất hấp thụ , tăng hiệu quả sử dụng nguyên liệu trongquá trình hấp thụ người ta vừa tiến hành hấp thụ vừa tiến hành oxy hóa NOsinh ra trong cùng 1 tháp hấp thụ

- Hai phản ứng trên đều thuân nghịch ,xảy ra theo chiều giảm thể tích.Chiều thuận tăng khi tăng áp suất vá giảm nhiệt độ

- Người ta thường điều chế HNO3 theo hệ thống làm việc áp su ất cao ,điều chế được HNO3 có nồng độ cao (60%) hiệu suất đạt 98%

2 Sơ đồ công nghệ sản xuất HNO 3 dưới áp suất thường.

Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ sản xuất HNO 3 dưới áp suất thường.

1.Ống khói hút không khí 10,11 Thiết bị trao đổi nhiệt

2 thiết bị rửa không khí 12.Van thuỷ lực

4,5 Lọc xốp 14.Tháp đệm hấp thụ

6.Quạt hút không khí – NH3 15.Làm lạnh axit

8.Thiết bị tiếp xúc 17 Tháp oxy hoá

9.Nồi hơi tận dụng nhiệt 18 Tháp đệm để hấp thụ kiềm

19 Ống xả khói

- Không khí được hút vào ống khói hút không khí (1) và được đưa quathiết bị làm sạch khí bằng nước (2) để khử các khí có tính axit và đưa quathiết bị lọc (4) để loại các tạp chất cơ học Khí NH3 sau khi được lọc cũngđược vào quạt (6) cùng với không khí Hỗn hợp khí đi qua thiết bị lọc (7) và