TEHNOLOGIJA AZOTNIH JEDINJENJA

TEHNOLOGIJAAZOTNIH JEDINJENJA

Pripremio: Varga IštvanHEMIJSKO-PREHRAMBENA SREDNJA ŠKOLA

ČOKAvarga.i@neobee.net

Značaj azota

Azot je neophodan za život .

• Predstavlja bitan sastojak belančevina biljnog i životinjskog porekla.

• Ljudi i životinje mogu da koriste samo azot koji se nalazi vezan u složenim organskim jedinjenjima biljaka.

• Biljke koriste neorganska jedinjenja azota i azot iz vazduha.

Azot u prirodi stalno kruži.

SIROVINEU TEHNOLOGIJI AZOTNIH JEDINJENJA

• Atmosferski vazduh ;

• Voda ( vodena para ) ;

• Različite vrste goriva.

Dobijanje azota i kiseonika iz vazduha

Sastav atmosferskog vazduha

SastavSastav Maseni %Maseni % Zapreminski %Zapreminski %

AzotAzot 75,5275,52 78,0878,08

KiseonikKiseonik 23,0123,01 20,9520,95

ArgonArgon 1,291,29 0,930,93

Ugljen-dioksidUgljen-dioksid 0,040,04 0,0330,033

NeonNeon 0,00120,0012 0,00180,0018

KriptonKripton 0,00030,0003 0,000110,00011

XenonXenon 0,000040,00004 0,000090,00009

VodonikVodonik 0,000050,00005 0,0000720,000072

Likvefakcija vazduha(prevodjenje vazduha u tečno stanje)

Uglavnom se koristi Lindeov postupak.(Carl Linde 1895)

Za dobijanje 1 kg tečnog vazduha potrebno je oko 1 kWh energije.

Izvodi se kombinacijom niskih temperatura i visokih pritisaka.

Niska temperatura se postiže pri širenju sabijenog vazduha prigušivanjem kroz ventil bez ili uz vršenje spoljnjeg rada.

Šemapostrojenja za likvefakciju

Kompresor

Hladnjak

Suprotnostrujni razmenjivač toplote

Prigušnica

Separator tečnog vazduha

p=22 MPa

T=293 K

T=78,85 K

VazduhVazduh

Rektifikacija tečnog vazduha

Rektifikacija je više puta ponovljena destilacija.Na atmosferskom pritisku temperatura ključanja:• Azota je 77,35 K,• Kiseonika je 90,18 K.

Temperatura ključanja vazduha je: 78,85 K.

Tehničko izvođenje rektifikacije Pošto azot i kiseonik ključaju na različitim

temperaturama,rektifikacijom u rektifikacionoj koloni moguće ih je razdvojiti.

U rektifikacionoj koloni u suprotnostrujnom toku dolaze u dodir parna i tečna struja pri čemu se,tokom višestrukog isparavanja tečnosti i kondenzacije pare,tečnost obogaćuje komponentom koja ima višu temperaturu ključanja to jest KISEONIKOM,a para komponentom niže temperature ključanja to jest AZOTOM.

Uprošćena šema rektifikacikacije vazduha

p= 0,13 – 0,14 MPa

p= 0,5 – 0,6 MPa

KISEONIK

AZOT

Tečan vazduh

Proizvodnja amonijaka Proizvodnja amonijaka se danas isključivo vrši

postupkom Haber – Bosch,koji je izrađen 1913. godine u Nemačkoj.

Proizvodnja se zasniva na sintezi iz azota i vodonika uz prisustvo katalizatora.

Proizvodi se u dva kvaliteta:• Tehnički amonijak sa min.99,5 % NH3 i

• Sredstvo za hlađenje sa 99,98 % NH3 .

Svetska proizvodnja iznosi oko 50 miliona tona godišnje.

Osobine amonijaka• Na običnim uslovima amonijak je bezbojni gas

oštrog mirisa. Pri udisanju ima nadražujuće dejstvo već u koncentraciji od 0,5 % u vazduhu.

• Lakši je od vazduha.• U tečno stanje prelazi kada se ohladi na

temperaturu od – 33,3 oC ili pod pritiskom od 0,8 MPa na sobnoj temperaturi.

• Rastvorljivost u vodi na 0 oC je 1176 litara u 1 litru vode.

Struktura NH3 molekule

NH

HH

107o

101.5 pm

Značaj i upotreba amonijaka• Oko 90 % proizvedenog amonijaka troši se na

proizvodnju azotnih veštačkih đubriva.• Ostala količina od oko 10 % upotrebljava se za dobijanje : - Azotne kiseline, - Amonijačnih soli (karbonata,hlorida,fosfata) , - Eksploziva, - Boja, - Plastičnih masa, - Za pranje vune, - U farmaciji, - Medicini i td.

U prirodi nastaje razlaganjem organskih azotnih jedinjenja.

PROIZVODNJA AMONIJAKA

Industrijski proces proizvodnje amonijaka obuhvata:

1. Pripremu sinteznog gasa ;2. Kompresiju (sabijanje na pritisak sinteze) i3. Sintezu.

Pod sinteznim gasom podrazumevamo čistu smešu azota i vodonika u odnosu 1 : 3.

1. Priprema sinteznog gasa

Azot potreban za sintezu dobija se rektifikacijom tečnog vazduha.Čistoća ovog azota je 99,8 %.

Vodonik, druga komponenta sinteznog gasa, dobija se postupkom KONVERZIJE UGLJOVODONIKA VODENOM PAROM.

Osnovna reakcija konverzije je:

CnH (2n+2) + n H2O n CO + (2n+1) H2

Ako je ugljovodonik metan,reakcija je:CH4 + H2O CO + 3 H2

Reakcija konverzije je endotermna i praćena je povećanjem zapremine.

Izvodi se u reaktorima na pritisku od oko 40 bara i temperaturi od 1000 oC.

U dobijenom sirovom gasu ima oko 10 – 50 % CO,koji se uklanja pomoću vodene pare,tako što se prevodi u CO2 na temperaturi od

: 200 – 240 oC ili 320 – 380 oC.

CO + H2O CO2 + H2

Nakon toga vrši se prečišćavanje gasa od ostatakaCO, CO2 ,O2 , H2O ,koja predstavljaju katalitičke otrove pri sintezi.

2. Kompresija sinteznog gasa

Kompresija sinteznog gasa na pritisak od 30 MPa izvodi se u :

• TURBOKOMPRESORIMA ili

• KLIPNIM KOMPRESORIMA u 3 – 6 stepena.

Moderna postrojenja kapaciteta 600 t/dan koriste centrifugalne kompresore.

3. Sinteza

Proces sinteze odvija se po sledećoj povratnoj egzotermnoj reakciji:

0,5 N2(g) + 1,5 H2(g) NH3(g)

Po Le Šateljeovom principu povišenje pritiska i

sniženje temperature povećava prinos amonijaka . Kao katalizator koristi se smeša praha gvožđa,aluminijum oksida i kalijum

oksida. Katalizator je smešten na nosaču, ili se nalazi u cevima.

Uprošćena šema sinteze

Katalizator

p= 30 MPa

Sintezni gas (svež) Tečni NH3

H2 + N2

Kompresor

Visina 12 – 20 m

Prečnik 0,8- 1 m

Kontaktna peć

TEHNOLOGIJAAZOTNE KISELINE

HNO3

Osobine,značaj i upotreba AZOTNE KISELINE

• U bezvodnom stanju bezbojna tečnost gustine 1,52 g/cm3 .

• Koncentrovana kiselina sadrži 96 – 98 % HNO3

• Azeotropska smeša kiseline i vode sadrži svega 69,2 % HNO3.

• Pod uticajem svetlosti već na sobnoj temperaturi se razlaže,prema reakciji:

4 HNO3 4 NO2 + 2 H2O + O2

• Postojana je na veoma niskim temperaturama (-40

oC).

• Koncentrovana kiselina je jako oksidaciono sredstvo. Oksiduje metale i prevodi ih u nitrate.

• Razara kožu i boji je žuto (Ksantoproteinska reakcija).

• Fe, Al, Cr, Ni, legure ferosilicijuma u prisustvu azotne kiseline se “pasivizuju”.

Strukturna formula HNO3

NO

O

OH

130o

102o

120 pm

140 pm

Upotreba azotne kiselineZa proizvodnju:• Veštačkih đubriva;• Sumporne kiseline postupkim tornjeva;• Eksploziva;• Boja;• Plastičnih masa;• Veštačke svile; • Za nagrizanje i čišćenje metala;• Za odvajanje Ag od Au;• Za procese nitrovanja u organskim sintezama.

Načini dobijanja HNO3

1. Iz čilske šalitre ( NaNO3 );

2. Oksidacijom vazdušnog azota i3. Kontaktnom oksidacijom amonijaka.

Prva dva načina se danas zbog njihove neefikasnosti ne koristi.

Svetska proizvodnja iznosi oko 30 miliona tona

godišnje.

Kontaktna oksidacija NH3

Primenjuje se od početka XX. veka, kada je1908.godine Ostwald prvi put ostvario katalitičku

oksidaciju amonijaka u prisustvu Pt – katalizatora.

Proizvodnja se odvija u tri faze:

1. Oksidacija NH3 u NO ;2. Oksidacija NO u NO2 i3. Apsorpcija NO2 u vodi.

1. Oksidacija NH3 u NO

Vrši se vazdušnim kiseonikom na temperaturi od 800- 950 oC.

Reakcija je POVRATNA i EGZOTERMNA4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2O

Izlazna smeša gasova sadrži 11 % NO. Kao katalizator koristi se legura Pt – Rh (90 % Pt + 10 % Rh) u obliku mreže izrađene od niti

legure debljine 0,05 mm.Prinos NO je oko 98 %,ako je dodir gasne smeše

i katalizatora kratak ( 0,0003 sekunda).

2. Oksidacija NO u NO2

Na sobnoj temperaturi NO potpuno prelazi

u NO2 ,prema sledećoj egzotermnoj i povratnoj reakciji:

2 NO + O2 2 NO2

Povišenje pritiska pomera ravnotežu premastvaranju NO2 .

Proces oksidacije odvija se u donjem delu tornja za apsorpciju,uz uduvavanje dodatne količine vazduha.

3. Apsorpcija NO2 u vodi

Apsorpciji pogoduje niska temperatura i

povećanje pritiska. Izvodi se u apsorpcionim tornjevima 6 do

8 tornjeva ispunjenih Rašigovim prstenovima na pritisku od 0,5 – 0,7 MPa

i temperaturi od 20 – 25 oC.

3 NO2 + H2O 2 HNO3 + NO

Koncentracija kiseline je od 56 – 60 %.

Uprošćena šema dobijanja razblažene HNO3Tečan NH3

Isparivač

Mešač

Vazduh

Filtar

700 oC

H2O

HNO3

56-60 %

NH33 + O22

Toranj

Predgrejač

Kont.peć

Dopunski vazduh

NO

NO22

Koncentrovanje HNO3

Razblažena kiselina, koncentracije 56 – 60 %uglavnom zadovoljava potrebe.Ako se želi dobiti koncentrovana kiselina,udeoHNO3 u razblaženoj kiselini treba povećati.

Običnom destilacijom može da se dobije svega 68,4 % -na kiselina .

98 % - na kiselina se dobija oduzimanjem vode pomoću koncentrovane sumporne kiseline.

Koncentrovanje НNО3 upotrebom96 % - ne sumporne kiseline

Postupak se zasniva na činjenici da smeša razblažene HNO3 i koncentrovane H2SO4

ključa na većoj temperaturi od 100 % - ne HNO3.

Zato će pri zagrevanju ove smeše isparavati isključivo azotna kiselina, dok voda ostaje vezana za sumpornu kiselinu.

Pare azotne kiseline se hlade i kondenzuju ukoncentrovanu kiselinu.

Uprošćena šema koncentrovanja HNO3

HH22OO

HNOHNO3 98 % 98 %

Pare HNOPare HNO33

HH22SOSO44 96 % 96 %Razblažena HNORazblažena HNO33

VodenaVodena

parapara

HH22SOSO44 70 % 70 %