Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Kémiai technológia I. Nitrogénipar 4. előadás. Bevezetés  A nehézvegyipar egyik legfontosabb ága  Termékei: ammónia, salétromsav, N-tartalmú műtrágyák.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Kémiai technológia I. Nitrogénipar 4. előadás. Bevezetés  A nehézvegyipar egyik legfontosabb ága  Termékei: ammónia, salétromsav, N-tartalmú műtrágyák."— Előadás másolata:

1 Kémiai technológia I. Nitrogénipar 4. előadás

2 Bevezetés  A nehézvegyipar egyik legfontosabb ága  Termékei: ammónia, salétromsav, N-tartalmú műtrágyák  A termelt ammónia 85%-át műtrágya vagy ammónia alakjában trágyázásra használják ÉvVilág Termelés (Mt) 19301, , , , , , ,0

3 Nitrogénmű blokksémája Levegő Szén v. szénhid- rogén Vízgőz Levegő cseppfolyósítás és szétválasztás Szintézisgáz gyártás Szintézisgáz tisztítás Szintézis Salétromsav gyártás Karbamid gyártás Műtrágya gyártás CO 2 NH 3 HNO 3 NH 4 NO 3 CO(NH 2 ) 2 O2O2 N2N2

4 Levegő cseppfolyósítása  A száraz levegő összetétele, fizikai jellemzői

5 Levegő cseppfolyósítása  Termékek: oxigén, nitrogén, nemesgázok  Az első előállítási mód Lavoisier nevéhez fűződik: izzó réz fölött levegőt vezetett át és az oxigént réz-oxid alakjában megkötötte:  4N 2 + O 2 + 2Cu = 4N 2 + 2CuO  Régebben alkalmazott ipari előállítási mód: A levegőben lévő oxigén szénnel történő elégetése.  4N 2 + O 2 + C = 4N 2 + CO 2  4N 2 + O 2 + 2C = 4N 2 + 2CO  A keletkezett oxidokat a gázelegyből kimossák és a nitrogén visszamarad  Ipari méretekben a levegő cseppfolyósításával állítják elő: Linde eljárás, mely a Juole-Thomson effektuson alapul.  (Ha egy gáz porózus dugón keresztül kiterjed egy alacsonyabb nyomású helyre, hőmérsékletváltozás következik be. A legtöbb reális gáz esetében ilyen körülmények közt a hőmérséklet csökken, mivel a gáznak a kiterjedéshez munkát kell végeznie a molekulák közti erők legyőzésére. )

6 Egylépcsős Linde-ciklus 1. 20°C, 1 bar 2. izoterm kompresszió: 20°C, 200 bar 3. izobár hűtés: -120°C, 200 bar (regeneratív) 4. expanzió: -188°C, 2 bar (vegyes fázis) 5. cseppfolyós levegő 6. gázfázis

7 Linde-ciklus hőmérséklet/entrópia diagram 1. 20°C, 1 bar 2. izoterm kompresszió: 20°C, 200 bar 3. izobár hűtés: -120°C, 200 bar (regeneratív) 4. expanzió: -188°C, 2 bar (vegyes fázis) 5. cseppfolyós levegő 6. gázfázis T S [kJ/kg K]

8 Desztilláció – rektifikáció  Az egyszerű lepárlással (desztillációval) elérhető, hogy a párlat összetétele különbözik a maradék összetételétől, de a teljes komponensszétválasztás nem valósul meg.  A további szeparációhoz a párlatot és a maradékot ismételt lepárlásnak kellene alávetni, ami energetikailag rendkívül rossz hatásfokú a külön készülékekben alkalmazott fűtés és hűtés miatt.

9 Egy rektifikáló oszlop vázlata  Az energetikai hatásfokon úgy lehet javítani, hogy az elpárolgó folyadék gőzét nem kondenzáltatjuk külön egységekben, hanem a lepárlandó folyadékpárlatokba vezetjük. Ezen párlatokban (folyadékfázisokban) a gőz kevésbé illékony komponensei kondenzálódnak és a kondenzációs hő illékonyabb komponenseket fog elpárologtatni. Ezen az elven a gőz az illékonyabb a folyadék a kevésbé illékony komponensekben fog dúsulni.  Reflux arány = elvett / visszavezetett  A gyakorlati kivitelezés során, nem kaszkádrendszerszerű megoldást alkalmaznak, hanem a nehézségi erőteret kihasználva oszlopszerű berendezésben áramoltatják. A fázisok az ún. tányérokon érintkeznek egymással. A fűtés céljából az oszlop aljára hőközlő egységet (reboilert), a tetejére hőelvonót (kondenzátrot) építenek.

10 Linde féle kétfokozatú rektifikáló oszlop  Az alsó oszlopban a nyomás:5-6 bar, a felsőben 1 bar  Az alsó oszlopot hűtik, a felsőt fűtik  Az elválasztás hatásfoka növelhető:  Toronymagasság  Reflux

11 A nitrogén felhasználása, forgalombahozatal Iparban: - Nitrogén-oxidok és salétromsav - Ammóniaszintézis - Amidok - Cianidok - Nitrogénműtrágyák - Nitridek előállításának az alapanyaga Egyéb területen: - Inert gázként történő alkalmazás - Aeroszolos palackok töltése - Tűzoltókészülékek töltése - Élelmiszerek mélyhűtése Forgalombahozatal - 150bar nyomású, zöld palackokban

12 Oxigén felhasználása, forgalombahozatal Iparban: - Különböző szerves és szervetlen ipari szintézisek - Elektroacél kemencékben, nagykohókban - Petrolkémiai technológiákban stb. Egyéb: - Rakétaüzemanyagként - Egészségügy, gyógyászat stb. Forgalombahozatal: Kék, balmenetes acélpalackokban 200bar nyomáson

13 Szintetikus ammóniagyártás alapjai 3 H 2 + N 2 2 NH 3 ∆H = -45,8 kJ/mol  A reakció egyensúlyi állandója és az elérhető konverzió erősen függ a hőmérséklettől és a nyomástól  Maximális konverzió: nagy nyomás, kis hőmérséklet, inertgázban szegény 1:3 arányú N 2 : H 2 gázelegy  A sebesség függ az alkalmazott katalizátortól: vas- katalizátor  Katalizátormérgek, pl. kén- és foszforvegyületek  Ammóniaszintézis lépései:  Szintézisgáz-előállítás  Szintézisgáz-tisztítás  Szintézis

14 Szintézisgáz-előállítás  Alapja: földgáz konverzió  Alapanyagok:  levegő,  vízgőz,  földgáz:  C %, C 2 3-5%, C 3 0,5-1%, C 4 0,1-0,3%, CO 2 1-3%, N 2 1-3%  S: merkaptán, tiofén, H 2 S: 0-5% (katalizátorméreg!)  Fűtőérték: 34 MJ/m 3

15 Szintézisgáz-előállítás  Kéntelenítés: max. 0,5 ppm  Primer bontás:  CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 ∆H= +206 kJ/mol  CO + H 2 O CO 2 + H 2 ∆H= -41 kJ/mol  Szekunder bontás: a fölös CH 4 elbontása  Autotherm folyamat  CH 4 + 2O 2 CO 2 +2H 2 O  CO + H 2 O CO 2 + H 2  Végtermékek: CH 4 : 0,1%, CO: 15-25%, CO 2 : 8-12%, N 2 : 20-25%, H 2 :többi Ni/ α-Al 2 O °C, 30bar Ni/ α-Al 2 O °C, 30bar

16 Szintézisgáz-előállítás  Szén-monoxid konverzió  A nyers szintézisgáz CO-tartalmát vízgőzzel regáltatják  CO + H 2 O CO 2 + H 2 ∆H= -41 kJ/mol  Reakciókörülmények: 20 bar, °C, ZnO-CuO katalizátor  Maradék CO: 0,1-0,3%  Szén-dioxid eltávolítás = mosás  A nyers szintézisgáz jelentős mennyiségű széndioxidot tertalmaz: idegen anyag, katalizátorméreg, ammónium- karbonátot képez az ammóniával – vezetékek!  Forró K 2 CO 3 mosás: 30 %-os oldat, 30 bar, 110°C  K 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O 2KHCO 3  MEA, DEA: HO-C 2 H 4 -NH 3 + ∙HCO 3 -  Regenerálás: 1 bar, fűtés

17 Abszorpció – deszorpció  Az abszorpció azon vegyipari művelet, amely során gázelegy komponense(i) a határfelületen keresztül diffúzióval a folyadékfázisba hatolnak és oldódnak.  Azt a vegyipari műveletet, ahol a komponenstranszport iránya a fentivel ellentétes deszorpciónak nevezzük.  Fizikai abszorpció: segíti a nyomás növelése - HENRY- törvény  Kémiai abszorpció: az abszorbeálódó komponens reagál a folyadékfázissal, kémiai kötés jön létre, koncentrációtól függ

18 Abszorpció  A fázishatáron anyagtranszport – nagy felület – töltetek (Rashing gyűrű)  Be: H 2, N 2, CO, CO 2, Ar  Ki: H 2, N 2

19 Teljes abszorpciós folyamat - deszorpcióval

20 Szintézisgáz-előállítás  Metanizálás:  A szintézisgáz finomtisztítása (H 2, N 2, CH 4, Ar, H 2 O, 0,1-3% CO és 10 ppm - 2% CO 2 )  CO és CO 2 max. 15 ppm!, CO 2 1ppm alatt! (katalizátormérgek)  CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O ∆H= -206kJ/mol  CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O ∆H= - 150,7 kJ/mol  Reakciókörülmények: 30MPa, 400°C, Ni katalizátor

21 Ammóniaszintézis  Haber-Bosch eljárás  Reakció: N 2 + 3H 2 2NH 3 ∆H= -92,4 kJ/mol  Egyensúlyi, exoterm, mólszám csökkenéssel jár  Termodinamikai egyensúly: alacsony hőmérséklet  Reakciósebesség: magas hőmérséklet  Reakciókörülmények:Fe-katalizátor, 300 bar, °C

22 Ammóniaszintézis  A reaktor (vagy konverter) acélból készült csőreaktor (Cr- Ni vagy Cr-Mo tartalmú lágyvasbevonattal )  A folyamat leírása:  A szintézisgáz nem alakul át teljesen ( α csak 0,1 – 0,15)  Az átalakult ammóniát kondenzáltatás után elvezetik, a maradék gázt recirkuláltatják  A rendszerbe csak annyi friss gázelegyet visznek, ami a képződött ammónia pótlására szükséges  A cirkuláló gázelegyből időnként lefúvatnak az esetleges szennyeződések feldúsulásának elkerülésére (Ar, CH 4 : 10 %)

23 Az ammóniaszintézis elvi folyamatábrája

24 H ABER -B OSCH -féle konverter  Jelölések a: hideg gázelegy belépési pontja: b: hőszigetelő réteg c: belső csövezetékek d: reaktorcsövek e: elektromosan fűtött tér f: kilépési pont g: a friss gázelegy egy részének bevezetési pontja, helye  A hőmérséklet káros hatása ellen konstrukciós megoldással védekeznek:  A belépő hideg gázelegyet a reaktor belső fala mentén vezetik végig.  A katalizátort tartalmazó csőköteget hőszigetelő köpennyel burkolják.  A konverterbe hőcserélőt építenek: a katalizátorból kilépő gázelegy átadja melegét a belépő hideg gázkeveréknek.  A reaktor valóságos méretei:  Magasság: m  Átmérő: m

25 Salétromsavgyártás  Előállítása: ammónia katalitikus oxidációjával  Alapanyagok: ammónia, levegő  Fő reakciók:  4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O ∆H= kJ/mol NH 3  Csak katalizátor jelenlétében, megfelelő hőmérsékleten  Az oxidáció célja nitrogén-monoxid előállítása  Ennek további oxidálásával:  2NO + O 2 = 2NO 2 ∆H=-56.5 kJ/mol  3NO 2 + H 2 O = 2HNO 3 + NO∆H=-73.7 kJ/mol

26 Salétromsavgyártás blokksémája

27 Salétromsavgyártás  Ammónia elégetése:  4NH 3 + 5O 2 4NO + 6 H 2 O  5 – 10% ródiumot tartalmazó platina – ródium ötvözet, több rétegű háló formájában (d=0,1mm)  Hőmérséklet: °C, nyomás: 1-10bar  Fontos a hálóra engedett gázelegy tisztasága, ezért mindig szükség van tisztítása (szűrés): a szilárd porok károsítják a katalizátort  Mellékreakciók:  4NH 3 + 4O 2 2N 2 O + 6H 2 O  4NH 3 + 3O 2 2N 2 + 6H 2 O  X NO =0,96-0,97

28 Salétromsavgyártás  Turbókompresszor: 10 bar  Oxidátor (oxidációs toronyok):  NO + ½ O 2 = NO 2  Abszorber (abszorpciós toronyok): kemiszorpció  3NO 2 + H 2 O = 2HNO 3 + NO ∆H=-73.7 kJ/mol  Az oxidációt és az abszorpciót többször ismétlik, mivel a nitrózus gázoknak csak a 2/3 részéből keletkezik salétromsav  A berendezésekben 3-8 bar nyomás uralkodik. Ezzel gyorsul az abszorpció és töményebb kb. 60%-os salétromsav vehető el.  Fehérítő kolonna: az oldott NO 2 kiűzése  A savat 60-65°C-ra felmelegítik, a kolonna középső részébe vezetik  A kolonna alján levegőt fúvatnak be, amely felfelé haladva eltávolítja az oldott gázokat

29 Tömény salétromsav  Tömény salétromsav dinitrogén-tetroxidból, a következő egyenlet alapján:  2N 2 O 4(foly.) + 2H 2 O (foly.) + O 2(g) 4HNO 3(foly.)  Az 50-70%-os salétromsavban fölös dinitrogén-tetroxidot oldanak alumínium bélésű autoklávban és az oldatba 50bar nyomásig oxigént vezetnek.  A reakcióhő következtében 70-90°C-ra melegszik az elegy, és 1-2 óra alatt gyakorlatilag minden víz elreagál a fenti reakció értelmében. A termék N 2 O 4 tartalmú tömény salétromsav, melyből az N 2 O 4 melegítéssel kiűzhető.


Letölteni ppt "Kémiai technológia I. Nitrogénipar 4. előadás. Bevezetés  A nehézvegyipar egyik legfontosabb ága  Termékei: ammónia, salétromsav, N-tartalmú műtrágyák."

Hasonló előadás


Google Hirdetések