Công nghệ sản xuất Nitơ và Oxy

I. Khái niệm chung:

- Nitơ được dùng để tổng hợp Amoniac, Canxi xyanamit, làm môi trường trơ trong nhiều quá trình sản xuất.

- Oxy làm tác nhân oxi hóa, nhiên liệu, chuyển hóa các Hydro Cacbon dùng trong y tế và các ngành kinh tế khác.

- Hydro được dùng để tổng hợp Amoniac, thực hiện quá trình Hydrat hóa (nhiên liệu, chất béo, trong công nghiệp tổng hợp chất hữu cơ), cắt kim loại.

Trong công nghiệp N,H,O được sản xuất bằng phương pháp hóa lỏng các hỗn hợp khí (không khí, khí cốc...) rồi chưng phân đoạn hoặc bằng phương pháp ngưng tụ phân đoạn.

II. Ðiều chế Nitơ và oxi bằng phương pháp hóa lỏng không khí:

Ðiều chế N,O từ hỗn hợp khí bằng phương pháp làm lạnh thâm độ được thực hiện theo 2 giai đoạn nối tiếp:

- Hóa lỏng hỗn hợp khí bằng làm lạnh thâm độ.

- Chưng phân đoạn sản phẩm lỏng thu được.

Hóa lỏng khí bằng làm lạnh thâm độ:

Dưới đây ta xét sơ đồ nguyên lý các chu trình thường dùng để hóa lỏng không khí:

a)  Chu trình tiết lưu có làm lạnh bằng Amoniac:

Không khí nén trong cụm máy nén (1) có p = 1 atm ® 200 atm rồi đưa vào thiết bị làm lạnh (2) để làm lạnh bằng nước đến t° = 18°C → 20°C, rồi qua thiết bị truyền nhiệt trung gian (3) và thiết bị làm lạnh bằng Amoniac (4) là thiết bị truyền nhiệt chính (5) đến t° = -50°C, qua van tiết lưu (6) thì một phần không khí hóa lỏng.

Không khí lạnh không hóa lỏng, được đưa trở lại trong các thiết bị truyền nhiệt (3) và (5).

b) Chu trình giãn nở có thực hiện công ra bên ngoài:

2. Chưng không khí lỏng:

Quá trình tách bằng phương pháp chưng cất các nguyên tố trong không khí lỏng dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi của chúng, phương pháp này có thể điều chế được nitơ và oxi nguyên chất ( từ không khí).

Ghi chú: thành phần không khí gồm nhiều nguyên tố  thành phần (% thể tích):

nitơ: 78,030 %; oxi:20,990 %; Argon: 0,933 %; Cacbonic: 0,030 %; Hydro: 0,01 %.

Ngoài ra còn hơi nước, bụi, các thành phần không ổn định.

Chưng không khí lỏng được thực hiện trong tháp chưng hai cột.

Tháp chưng gồm 3 phần:

- Dưới cùng là cột chưng dưới (1), làm việc ở p = 6 atm.

- Trên cùng là cột chưng trên (2) làm việc ở p = 1 atm.

- Giữa 2 cột là thiết bị ngưng tụ bốc hơi kiểu ống chùm (3).

Thiết bị ngưng tụ - bốc hơi này có nắp đậy ở phía trên, bên trong của hệ thống ống chùm thông với cột chưng (1) làm nhiệm vụ thiết bị ngưng nitơ, còn không gian ngoài ống chùm thông với cột chưng (2) làm nhiệm vụ thiết bị bốc hơi oxy.

Không khí nén ở p = 50 → 100 atm đã làm lạnh được đưa vào ruột gà (4) của thiết bị bốc hơi không khí lỏng (5) thuộc cột chưng (1) sau đó qua tiết lưu (6), áp suất giảm đến 6 atm. Toàn bộ hỗn hợp được đưa vào phần dưới cột (1). Trong quá trình chưng trong cột (1), hàm lượng nitơ ở các đĩa phía trên ngày càng cao và lên đến các ống chùm của thiết bị ngưng tụ - bốc hơi (3), hầu như chỉ còn nitơ nguyên chất.

Nitơ truyền nhiệt cho không khí lỏng ở ngoài ống chùm và ngưng tụ. Một phần đọng lại trong các túi (7), còn một phần theo các đĩa chảy xuống phía dưới, tạo điều kiện cho cột chưng (1) làm việc liên tục.

Ở cột (1) là không khí lỏng giàu oxy (khoảng 30 → 40%).

Hỗn hợp không khí lỏng này được đưa qua tiết lưu (8) giảm áp suất xuống áp suất khí quyển rồi đưa vào giữa cột chưng (2) để chưng đến oxy gần nguyên chất.

Nitơ lỏng ở (7) qua tiết lưu (9) vào phía tiêu cột (2) để chưng liên tục. Trong quá trình chưng ở cột (2) được nitơ nguyên chất lấy ra ở đỉnh tháp.

Ở không gian ngoài ống chùm ngưng tụ - bốc hơi (3), oxy nhận nhiệt do quá trình ngưng tụ nitơ truyền cho bay hơi và được lấy ra ở phía trên thiết bị (3) dưới dạng khí nguyên chất.

3. Các hệ thống điều chế nitơ và oxy:

Ðiều chế nitơ và oxy bằng phương pháp phân ly không khí chủ yếu dùng:

- Hệ thống tiết lưu không khí nén có làm lạnh sơ bộ bằng Amoniac.

- Hệ thống áp suất cao và tháp có thiết bị hoàn nhiệt và máy giãn nở kiểu tuabin.

Hệ thống tiết lưu không khí nén có làm lạnh sơ bộ bằng Amoniac sản xuất nitơ đạt nồng độ tới 99,9%.

Hệ thống tiết lưu không khí nén có làm lạnh sơ bộ bằng Amoniac sản xuất oxy đạt nồng độ tới 90 → 93%; 99,5%, 99,7% và nitơ có lẫn nhiều oxy.

Dưới đây ta xét sơ đồ các lưu trình sản xuất nitơ và oxy đã nêu.

* Hệ thống tiết lưu không khí nén có làm lạnh sơ bộ Amoniac:

Trong không khí thường có tạp chất: bụi, hơi nước và CO2, khí C2H2... là những hợp chất có hại cần phải loại bỏ, nước và CO2 đóng băng tương đối cao làm tắt đường ống, đặc biệt là C2H2 tạo thành hợp chất nổ.

Do vậy, ta phải cho không khí qua thiết bị lọc (1), rồi cho qua máy nén bốn cấp (2) có p = 8 →10 atm, sau đó đưa vào thiết bị khử CO2 (3) bằng NaOH 10% sau đó không khí được đưa trở lại máy nén 2 cấp nữa p = 35 → 60 atm. Ở máy nén ra không khí được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (4) làm lạnh bằng nitơ ở tháp chưng (7), rồi vào thiết bị làm lạnh bằng Amoniac (5) theo kiểu ruột gà, không khí nén đi bên trong còn Amoniac đi trong không gian giữa 2 ống. Nước thường đóng băng trong ruột gà nên qua 1 ngày đêm cần phải xử lý băng đọng bằng cách thổi Amoniac ở p = 7,5 → 12 atm và t° = 50 → 80°C.

Không khí nén đã loại hơi nước được làm lạnh tiếp tục trong thiết bị trao đổi nhiệt (6) bao quanh tháp chưng (7), bằng N2 và O2 ở tháp chưng ra không khí ra khỏi thiết bị (6) được đưa vào tháp chưng (7) để thực hiện quá trình chưng phân đoạn.