TEHNOLOGIJA AZOTNIH JEDINJENJA Pripremio Varga Itvan HEMIJSKOPREHRAMBENA SREDNJA

TEHNOLOGIJA AZOTNIH JEDINJENJA Pripremio: Varga Ištvan HEMIJSKO-PREHRAMBENA SREDNJA ŠKOLA ČOKA varga. 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.

SIROVINE U TEHNOLOGIJI AZOTNIH JEDINJENJA • Atmosferski vazduh ; • Voda ( vodena para ) ; • Različite vrste goriva.

Dobijanje azota i kiseonika iz vazduha

Sastav atmosferskog vazduha Sastav Azot Kiseonik Argon Ugljen-dioksid Neon Kripton Xenon Vodonik Maseni % 75, 52 23, 01 1, 29 0, 04 0, 0012 0, 0003 0, 00004 0, 00005 Zapreminski % 78, 08 20, 95 0, 93 0, 033 0, 0018 0, 00011 0, 00009 0, 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 k. Wh 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.

Šema postrojenja za likvefakciju T=293 K Hladnjak T=78, 85 K Suprotnostrujni razmenjivač toplote p=22 MPa Kompresor Prigušnica Separator tečnog vazduha Vazduh

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 rektifikacije vazduha AZOT p= 0, 13 – 0, 14 MPa KISEONIK p= 0, 5 – 0, 6 MPa Tečan vazduh

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 % NH 3 i • Sredstvo za hlađenje sa 99, 98 % NH 3. 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 o. C ili pod pritiskom od • 0, 8 MPa na sobnoj temperaturi. • Rastvorljivost u vodi na 0 o. C je 1176 litara u 1 litru vode.

Struktura NH 3 molekule

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) i 3. 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: Cn. H (2 n+2) + n H 2 O n CO + (2 n+1) H 2 Ako je ugljovodonik metan, reakcija je: CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2

Reakcija konverzije je endotermna i praćena je povećanjem zapremine. Izvodi se u reaktorima na pritisku od oko 40 bara i temperaturi od 1000 o. C. U dobijenom sirovom gasu ima oko 10 – 50 % CO, koji se uklanja pomoću vodene pare, tako što se prevodi u CO 2 na temperaturi od : 200 – 240 o. C ili 320 – 380 o. C. CO + H 2 O CO 2 + H 2 Nakon toga vrši se prečišćavanje gasa od ostataka CO, CO 2 , H 2 O , koja predstavljaju katalitičke otrove pri sintezi.

2. 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 N 2(g) + 1, 5 H 2(g) NH 3(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 p= 30 MPa Kontaktna peć Visina 12 – 20 m Prečnik 0, 8 - 1 m Kompresor H 2 + N 2 Sintezni gas (svež) Tečni NH 3 Katalizator

TEHNOLOGIJA AZOTNE KISELINE HNO 3

Osobine, značaj i upotreba AZOTNE KISELINE • U bezvodnom stanju bezbojna tečnost gustine 1, 52 g/cm 3. • Koncentrovana kiselina sadrži 96 – 98 % HNO 3 • Azeotropska smeša kiseline i vode sadrži svega 69, 2 % HNO 3. • Pod uticajem svetlosti već na sobnoj temperaturi se razlaže, prema reakciji: 4 HNO 3 4 NO 2 + 2 H 2 O + O 2

• Postojana je na veoma niskim temperaturama (-40 o. C). • 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 HNO 3

Upotreba azotne kiseline Za 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 HNO 3 1. Iz čilske šalitre ( Na. NO 3 ); 2. Oksidacijom vazdušnog azota i 3. Kontaktnom oksidacijom amonijaka. Prva dva načina se danas zbog njihove ne efikasnosti ne koristi. Svetska proizvodnja iznosi oko 30 miliona tona godišnje.

Kontaktna oksidacija NH 3 Primenjuje se od početka XX. veka, kada je 1908. godine Ostwald prvi put ostvario katalitičku oksidaciju amonijaka u prisustvu Pt – katalizatora. Proizvodnja se odvija u tri faze: 1. Oksidacija NH 3 u NO ; 2. Oksidacija NO u NO 2 i 3. Apsorpcija NO 2 u vodi.

1. Oksidacija NH 3 u NO Vrši se vazdušnim kiseonikom na temperaturi od 800 - 950 o. C. Reakcija je POVRATNA i EGZOTERMNA 4 NH 3 + 5 O 2 4 NO + 6 H 2 O 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 NO 2 Na sobnoj temperaturi NO potpuno prelazi u NO 2 , prema sledećoj egzotermnoj i povratnoj reakciji: 2 NO + O 2 2 NO 2 Povišenje pritiska pomera ravnotežu prema stvaranju NO 2. Proces oksidacije odvija se u donjem delu tornja za apsorpciju, uz uduvavanje dodatne količine vazduha.

3. Apsorpcija NO 2 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 o. C. 3 NO 2 + H 2 O 2 HNO 3 + NO Koncentracija kiseline je od 56 – 60 %.

Uprošćena šema dobijanja razblažene HNO 3 Tečan NH 3 Kont. peć H 2 O Isparivač 700 o. C NH 3 + O 2 Toranj Mešač NO 2 Vazduh NO Predgrejač HNO 3 Filtar 56 -60 % Dopunski vazduh

Koncentrovanje HNO 3 Razblažena kiselina, koncentracije 56 – 60 % uglavnom zadovoljava potrebe. Ako se želi dobiti koncentrovana kiselina, udeo HNO 3 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 НNО 3 upotrebom 96 % - ne sumporne kiseline Postupak se zasniva na činjenici da smeša razblažene HNO 3 i koncentrovane H 2 SO 4 ključa na većoj temperaturi od 100 % - ne HNO 3. Zato će pri zagrevanju ove smeše isparavati isključivo azotna kiselina, dok voda ostaje vezana za sumpornu kiselinu. Pare azotne kiseline se hlade i kondenzuju u koncentrovanu kiselinu.

Uprošćena šema koncentrovanja HNO 3 Razblažena HNO 3 H 2 SO 4 96 % Pare HNO 3 Vodena H 2 O H 2 SO 4 70 % para HNO 3 98 %