1. Cơ sở lý thuyết
Quâ trình tổng hợp amoniac diễn ra theo phương trình : 3H2 + N2 = 2 NH3 H < 0
Đặc điểm của phản ứng năy lă thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích vă cần xúc tâc. Do vậy câc điều kiện của phản ứng như nhiệt độ, âp suất, nồng độ câc chất sẽ có ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cđn bằng về phía năy hay phía khâc.
Đđy lă phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt, khi tăng dần nhiệt độ, tốc độ phản ứng ở giai đoạn đầu tăng dần, hệ nhanh đạt đến trạng thâi cđn bằng. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, hiệu suất chuyển nitơ thănh amoniac giảm do ở nhiệt độ cao NH3 bị phđn hủy trở lại H2 vă N2. Cđn bằng chuyển dịch về phía trâi.
Ở nhiệt độ thấp dưới 4000C tốc độ phản ứng nhỏ, nín không có lợi cho sản xuất. Người ta thường duy trì nhiệt độ của phản ứng năy khoảng 4500C.
- Âp suất
Phản ứng theo chiều tạo ra NH3 lă quâ trình lăm giảm âp suất của hệ. Cho nín khi tăng âp suất phản ứng sẽ chuyển dịch cđn bằng về phía tạo thănh amoniac nín có lợi cho sản xuất, hiệu suất chuyển hóa nitơ thănh NH3 cũng cao hơn. Trong thực tiễn sản xuất có thể thực hiện phản ứng năy ở âp suất thấp từ 100 - 150at, hoặc trung bình từ 250 - 600at hoặc ở âp suất cao 600 - 1000at. Ở nước ta tại công ty phđn đạm Bắc Giang tổng hợp NH3 âp suất trung bình khoảng 300at.
Vì hiệu suất chuyển hóa nitơ thănh NH3 thấp, H2 vă N2 chưa tham gia phản ứng phải quay trở lại thâp tổng hợp nhiều lần nín tỉ lệ giữa H2 vă N2 được giữ đúng như phương trình 3 2 2 1 3 NH N H
sau khi tạo thănh cần được tâch ra để cđn bằng luôn
luôn chuyển dịch theo chiều thuận.
- Chất xúc tâc
Trong phản ứng năy nếu không có chất xúc tâc thích hợp thì dù ở nhiệt độ cao vă âp suất cao phản ứng cũng hầu như không xảy ra. Chất xúc tâc cho phản ứng năy có thể lă một số kim loại như sắt, platin, mangan v.v... Trong công nghiệp hiện nay người ta thường dùng chất xúc tâc lă sắt. Dạng ban đầu của chất xúc tâc lă hỗn hợp oxit FeO vă Fe2O3 có thím câc chất phụ khâc như Al2O3, CaO, SiO2, K2O ... Trước khi cho hỗn hợp khí H2 vă N2 đi qua xúc tâc, xúc tâc phải trải qua một quâ trình gọi lă "hoăn nguyín" bằng câch cho một dòng khí H2 đi qua xúc tâc ở nhiệt độ cao, câc oxit sắt sẽ bị khử oxi tạo thănh câc nguyín tử kim loại phđn bố trín bề mặt câc oxit khâc. Chính những tập hợp nguyín tử như vậy đóng vai trò xúc tâc cho phản ứng giữa nitơ vă hiđro.
Câc phụ gia khâc có tâc dụng lăm tăng bề mặt tiếp xúc của chất xúc tâc với câc chất tham gia phản ứng, hoặc lăm cho xúc tâc không bị phâ vỡ ở nhiệt độ cao, hoặc lăm cho xúc tâc khó bị ngộ độc bởi câc tạp chất có trong hỗn hợp khí H2 vă N2.
2. Thâp tổng hợp amoniac (hình III.1)
Thâp tổng hợp có cấu trúc hình trụ tròn, thường có bề dầy gần 20cm, cao 12 - 20m, đường kính của ruột thâp từ 1 - 1,4m. Thâp đặt thẳng đứng, phía trín vă phía dưới có nắp đậy rất dăy. Đối với thâp tổng hợp lăm việc ở âp suất trung bình thì phần trín đặt chất xúc tâc, phần dưới lă bộ phận trao đổi nhiệt: khí NH3 nóng đi trong câc ống nhỏ, khí N2, H2 đi ngoăi để thu nhiệt trước khi qua xúc tâc. Có lớp giữ nhiệt bọc quanh thâp. 1. Vỏ thâp 2. Ống truyền nhiệt 3. Chất xúc tâc 4. Ống dẫn khí trung tđm 5. Bổ sung nhiệt 6. Hộp đựng xúc tâc 7. Ống trao đổi nhiệt đặt trong xúc tâc
Hỗn hợp nitơ - hiđro đưa văo thâp tổng hợp từ trín xuống dưới qua không gian giữa hộp đựng xúc tâc vă vỏ thâp rồi văo bộ phận trao đổi nhiệt đi ngoăi câc ống dẫn NH3 ra khỏi thâp, tiếp tục đi theo ống trung tđm lín phía trín hộp đựng xúc tâc
N H3 H2+ N2 1 2 3 4 5 6 7 Hình III.1. Thâp tổng hợp NH3
để đi văo câc ống đặt trong khối xúc tâc, tại đđy hỗn hợp khí N2 vă H2 được đốt nóng tới 4500C nhờ nhiệt tỏa ra trong phản ứng. Tâc động năy còn có tâc dụng điều chỉnh nhiệt độ của khối xúc tâc không bị đốt nóng quâ cao. Sau khi đạt được nhiệt độ như trín hỗn hợp khí H2 vă N2 đi qua câc lớp xúc tâc để tạo thănh NH3. Sản phẩm thu được qua câc hệ thống ống dẫn xuống đây thâp vă ra
ngoăi để hóa lỏng NH3.
3. Dđy chuyền tổng hợp amoniac
Hình III.2 lă dđy chuyền tổng hợp amoniac ở âp suất 300 at. Sơ đồ năy lă một ví dụ minh họa chu trình tuần hoăn kín.
H2 + N2 1 N H3 Lỏng NH3 Lỏng 3 4 5 2 H2 + N2 6 7
Hình III.2. Dđy chuyền tổng hợp amoniac ở âp suất 30at
1. Thâp tổng hợp; 2. Lăm lạnh NH3; 3,6. Thiết bị tâch NH3 4. Bơm nĩn tuần hoăn; 5. Thiết bị lọc tâch dầu ; 7. Lăm lạnh bằng NH3
Hỗn hợp khí H2 vă N2 sau khi được nĩn tới âp suất thích hợp đi văo thâp tổng hợp (1). Sản phẩm thu được qua dăn lăm lạnh bằng nước (2), NH3 trong hỗn hợp khí bị hóa lỏng vă được thu hồi ở thiết bị (3). Hỗn hợp khí vẫn còn chứa khí NH3 được đưa qua mây nĩn (4) để tăng âp suất, NH3 lại tiếp tục bị hóa lỏng ở câc thiết bị (6,7). Khí H2 vă N2 còn lại chưa tham gia phản ứng quay trở về thâp tổng hợp (1) để tiếp tục chuyển hóa thănh NH3.
§3. SẢN XUẤT AXIT NITRIC (HNO3)
HNO3 lă chất oxi hóa mạnh, tất cả câc kim loại trừ một số kim loại qủ như platin, văng, rôđi … đều bị HNO3 đậm đặc oxi hóa tạo thănh câc oxit. Câc oxit kim
loại tan trong HNO3 đều tạo thănh câc muối nitrat. Nhiều hợp chất hữu cơ đặc biệt lă câc tế băo động vật vă thực vật bị HNO3 phâ hủy.
HNO3 còn lă một trong câc loại axit vô cơ quan trọng nhất, được dùng rất nhiều để sản xuất phđn đạm, thuốc nổ. HNO3 đậm đặc dùng để điều chế câc hợp chất nitro dùng trong công nghiệp sản xuất câc chất mău vă nhiều hợp chất khâc.
Đầu thế kỉ 17 người ta sản xuất HNO3 bằng câch cho H2SO4 đậm đặc tâc dụng với KNO3. Về sau do nguồn quặng muối nitrat trong thiín nhiín không phổ biến nín người ta đê âp dụng phương phâp hồ quang điện để cho nitơ tâc dụng trực tiếp với oxi để tạo thănh NO, nhưng phương phâp năy cũng không phât triển rộng rêi do tốn nhiều điện năng. Từ khi tổng được NH3 từ N2 vă H2 thì người ta đều sản xuất HNO3 từ amoniac. Quâ trình năy bao gồm câc giai đoạn: oxi hóa NH3 thănh NO, oxi hóa NO thănh NO2, hấp thụ NO2 để thu được dung dịch HNO3 nồng độ khoảng 50%. Muốn có HNO3 đặc người ta phải cô đặc.