2CH O CO H
2.4. Tổng hợp amoniac 1 Cơ sở lý thuyết:
2.4.1. Cơ sở lý thuyết:
Quá trình tổng hợp NH3 diễn ra theo phương trình :
32 2
2 3H 2NH
N ; ∆H < 0
Là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích và cần xúc tác. Do vậy các điều kiện của phản ứng như t0, P, C sẽ có ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng
Nhiệt độ: thường duy trì nhiệt độ của phản ứng này khoảng 4500C do Khi tăng dần nhiệt độ, tốc độ phản ứng ở giai đoạn đầu tăng dần, hệ nhanh đạtđến trạng thái cân bằng.
+ Nếu tăng nhiệt độ quá, hiệu suất chuyển N2 thành NH3 giảm do ở nhiệt độ cao NH3 bị phân hủy trở lại H2 và N2. Cân bằng chuyển dịch về phía trái.
+ Ở nhiệt độ thấp dưới 4000C tốc độ phản ứng nhỏ, nên không có lợi cho sản xuất.
Áp suất: Trong sản xuất, thực hiện phản ứng này ở áp suất thấp 100 -150at, hoặc trung bình 250 -600at hoặc áp suất cao 600 -1000at. Phản ứng theo chiều
thuận là quá trình làm giảm P của hệ, nên khi tăng P phản ứng sẽ chuyển dịch cân bằng về phía tạo thành NH3, H chuyển hoá cũng cao hơn. Sau khi tạo thành NH3 cần được tách ra để cân bằng luôn chuyển theo chiều thuận.Vì H2 chuy ển hóa nitơ thành NH3 thấp, H2 và N2 chưa tham gia phản ứng phải quay trở lại tháp tổng hợp nhiều lần nên tỉ lệ giữa H2 và N2 được giữ đúng tỷ lệ 3:1.
Chất xúc tác
Phản ứng này nếu không có xúc tác thích hợp thì dù ở t0 cao và P cao phản ứng cũng hầu như không xảy ra. Xúc tác có thể là Fe, Pt, Mn v.v... Trong công nghiệp thường dùng chất xúc tác là sắt. Dạng ban đầu của xúc tác là hỗn hợp oxit FeO và Fe2O3 có thêm các chất phụ khác như Al2O3, CaO, SiO2, K2O ... Trước khi cho hỗn hợp khí H2 và N2 đi qua xúc tác, xúc tác phải trải qua một quá trình g ọi là "hoàn nguyên" bằng cách cho một dòng khí H2 đi qua xúc tác ở nhiệt độ cao, cácoxit sắt sẽ bị khử oxi tạo thành các nguyên tử kim loại phân bố trên bề mặt các oxit khác. Chính những tập hợp nguyên tử như vậy đóng vai trò xúc tác cho phản ứng.
OH H Fe H O Fe3 4 4 2 4 2 2.4.2. Tháp tổng hợp amoniac
Hỗn hợp nitơ -hiđro đưa vào tháp tổng hợp từ trên xuống dưới qua không gian giữa hộp đựng xúc tác và vỏ tháp rồi vào bộ phận trao đổi nhiệt đi ngoài các ống dẫn NH3 ra kh ỏi tháp, tiếp tục đi theo ống trung tâm lên phía trên hộp đựng xúc tác để đi vào các ống đặt trong khối xúc tác, tại đây hỗn hợp khí N2 và H2 được đốt nóng tới 4500C nhờ nhiệt tỏa ra trong phản ứng. Tác động này còn có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ của khối xúc tác không bị đốt nóng quá cao. Sau khi đạt được nhiệt độ như trên hỗn hợp khí H2 và N2 đi qua các lớp xúc tác để tạo thành NH3. Sản phẩm thu được qua các hệ thống ống dẫn xuống đáy tháp và ra ngoài để hóa lỏng NH3.