1
samenvatting industriële chemie
hoofdstuk 1: de stikstofindustrie
de ontwikkeling van meststoffen, de rol van stikstof in het biologisch
gebeuren
planten ontwikkelen uit anorganische stoffen organische verbindingen
CO2 + H2O + zonlicht (CH2O)n (koolhydraten) + O2
hiervoor hebben ze een goede bodemtextuur nodig:
- voldoende hoog humusgehalte
- voldoende vocht en vochtretentie
- juiste zuurtegraad (5,5-7)
- juiste mineralen in de juiste verhoudingen
o hiervoor onttrekken ze aan de bodem hoofdzakelijk: N, P, K, Ca, Mg, Na, S
o al bij 10% tekort aan 1 van deze en we krijgen afstervingsverschijnselen
o bodem raakt uitgeput van deze meststoffen
Een zuur belangrijk voedingselement voor een gezonde groei van planten is stikstof!
- natuurlijke kringloop kon de vraag naar N niet bijhouden na de industrialisering.
- dus werden er kunstmeststoffen ontwikkeld waarin men N 2 (luchtstikstof gaat omzetten in
NH3 ) = stikstof fixatie
ammoniak
geschiedenis
de binding van luchtstikstof
Om N2 te kunnen binden aan een ander element moet men eerst de 2 atomen gaan splitsen van
elkaar, aangezien de bindingsenergie van dit molecuul uitzonderlijk hoog is kan men dit enkel doen
onder buitengewone omstandigheden.
1ste methode: het cyanamide-proces:
stap 1) CaO + 3C (cokes) CaC2 (cacarbide) + CO
- gebeurt onder 2000°C
- zeer sterk endotherm proces
stap 2) CaC2 + N2 CaN-CN (cacyanamide) +C
- gebeurd onder 900°C
- sterk endotherm
stap 3) CAN-CN + 3 H2O CaCO3 + 2NH3
Verbruikt enorm veel elektrische energie om ovens op 2000°C te krijgen!
, 2
2de methode : de luchtverbranding:
N2 + O2 2 NO
NO werd dan omgezet tot HNO3
Ook deze methode verbruikt enorm veel elektrische energie!
3de methode : de exotherme reactie:
N2 + 3H2 2 NH3
- gunstig evenwicht bij lagere temperaturen
- bij lage temperaturen is de activeringsenergie van de reactie te hoog
- oplossing geschikte katalysator : Pt-folie, osmium- en uraniumoxiden
kenmerken proces:
- recirculatie onder druk van niet-omgezette N 2/H2 om de totale opbrengst te verhogen
- afscheiding onder druk van gevormde ammoniak
- gebruik van bij reactie vrijgekomen warmte om het gerecirculeerde N 2/H2 voor te
verwarmen.
technische ontwikkeling van de ammoniaksynthese: Het HABER-BOSCH proces
Ook kon dit proces op laboschaal worden uitgevoerd, er waren nog een aantal problemen voor een
industriële installatie:
- de apparatuur moest bestand zijn tegen hoge drukken en temperaturen
- goedkopere katalysatoren moesten gevonden worden
- er moest zuiver N2/H2-gasmengsel voorhanden zijn
- nieuwe meet-en regeltechnieken moesten ontwikkeld worden voor de volledig nieuwe
problemen die ontstonden bij deze omstandigheden
Dit was het eerste moderne chemische proces. Richtinggevend en bepalend voor de ontwikkeling van
de industriële chemie en de chemische technologie in de 20 ste eeuw.
theoretische beschouwingen
de invloed van temperatuur en druk
N2 + 3 H2 2 NH3
Dit is een exotherm proces, we krijgen dus een gunstig evenwicht bij lagere temperaturen. Ook zien
we dat het evenwicht richting ammoniak zal verschuiven bij hoge drukken (principe van Le Chatelier)
, 3
de invloed van de katalysator -mechanisme van de reactie
De katalysator zorgt ervoor dat de activeringsenergie van de reactie verlaagd wordt. Hierdoor wordt
het evenwicht sneller bereikt.
verloopt volgens:
1) diffusie van N2 en H2 naar het oppervlak van de katalysator
2) chemisorptie van N2 en H2 aan dat oppervlak
a. verschil met adsorptie want dat gebeurt aan het oppervlak van de meeste metalen
met N2
b. chemisorptie gebeurt bij N2 enkel bij bepaalde overgangsmetalen en hier kan die wel
reageren met H2
3) reactie tot NH3 aan dat oppervlak
4) desorptie van NH3
5) diffusie van NH3 weg van dat oppervlak
door de katalysator gebeurd de reactie zo snel dat de chemisorptie en desorptie de
snelheidsbepalende stappen zijn geworden, deze kan men versnellen door de stroomsnelheid van de
gassen aan te passen.
- Fe is in praktijk de beste katalysator (mits toevoeging van aktivatoren of promotoren)
- Ruthenium, osmium en uranium zijn theoretisch gezien beter gezien maar zijn veel te duur.
- blijft gevoelig voor verontreinigingen aanwezig in het N 2/H2-gasmengsel
o vooral S, P, As en halogeenverbindingen kunnen de normale levensduur van een
katalysator sterk verminderen.
o Hierdoor moet het synthesegas vooraf zorgvuldig gezuiverd worden.
technische uitvoering
schema
De conversie tot NH3, na éénmalige doorgang door de reactor is 10-20%, dus na het afscheiden van
gevormde NH3 gaan we N2/H2 recycleren. Zo kan de totale conversie verhoogd worden tot 85-90%.
, 4
- Het synthesegas wordt tussen 2 trappen samengedrukt, tussen de twee trappen wordt het
gasmengsel geleidt over moleculaire zeven om de laatste sporen water en CO 2 te
verwijderen.
- na de 2de compressietrap wordt het synthesegas gemengd met de gerecycleerde H 2/N2
gassen
- Dit gasmengsel wordt verdeeld over meerdere convertoren in parallel
o om in geval van vernieuwing katalysator of algemeen onderhoud het
productieproces niet te moeten stilleggen.
- na de convertoren worden ze op verschillende temperatuursniveau’s afgekoeld
- Dan gebeurt het afscheiden van NH 3 (door dit vloeibaar te maken)
o de hogedruk afscheider wordt de ammoniak vloeibaar gemaakt en zo gescheden van
het N2/H2-gas
o in de lagedruk afscheider wordt verder gekoeld door plotse expansie (flashen)
- een deel van het gerecycleerde mengsel wordt afgetapt (purgeergassen) om de opstapeling
van diluenten (CH4 , Ar) te vermijden
o anders zou de partieel druk van deze componenten steeds groter worden wat de
partieel druk van N2 en H2 zou laten dalen wat op zijn beurt een verlaging in
opbrengst betekend
convertoren
Een reactor moet bestand zijn tegen hoge temperaturen en druk en de inwerking van heet
waterstofgas:
- op gewoon staal gaat heet waterstofgas zich binden met het C in het staal tot methaan wat
het staal haar stevigheid laat verliezen
- hierdoor daalt de drukbestendigheid wat gevaar oplevert voor ontploffing.
Om dit scenario te vermijden stroomt bij alle convertortypes het “koude” inkomende synthesegas
langs de binnenzijde van de reactormantel
samenvatting industriële chemie
hoofdstuk 1: de stikstofindustrie
de ontwikkeling van meststoffen, de rol van stikstof in het biologisch
gebeuren
planten ontwikkelen uit anorganische stoffen organische verbindingen
CO2 + H2O + zonlicht (CH2O)n (koolhydraten) + O2
hiervoor hebben ze een goede bodemtextuur nodig:
- voldoende hoog humusgehalte
- voldoende vocht en vochtretentie
- juiste zuurtegraad (5,5-7)
- juiste mineralen in de juiste verhoudingen
o hiervoor onttrekken ze aan de bodem hoofdzakelijk: N, P, K, Ca, Mg, Na, S
o al bij 10% tekort aan 1 van deze en we krijgen afstervingsverschijnselen
o bodem raakt uitgeput van deze meststoffen
Een zuur belangrijk voedingselement voor een gezonde groei van planten is stikstof!
- natuurlijke kringloop kon de vraag naar N niet bijhouden na de industrialisering.
- dus werden er kunstmeststoffen ontwikkeld waarin men N 2 (luchtstikstof gaat omzetten in
NH3 ) = stikstof fixatie
ammoniak
geschiedenis
de binding van luchtstikstof
Om N2 te kunnen binden aan een ander element moet men eerst de 2 atomen gaan splitsen van
elkaar, aangezien de bindingsenergie van dit molecuul uitzonderlijk hoog is kan men dit enkel doen
onder buitengewone omstandigheden.
1ste methode: het cyanamide-proces:
stap 1) CaO + 3C (cokes) CaC2 (cacarbide) + CO
- gebeurt onder 2000°C
- zeer sterk endotherm proces
stap 2) CaC2 + N2 CaN-CN (cacyanamide) +C
- gebeurd onder 900°C
- sterk endotherm
stap 3) CAN-CN + 3 H2O CaCO3 + 2NH3
Verbruikt enorm veel elektrische energie om ovens op 2000°C te krijgen!
, 2
2de methode : de luchtverbranding:
N2 + O2 2 NO
NO werd dan omgezet tot HNO3
Ook deze methode verbruikt enorm veel elektrische energie!
3de methode : de exotherme reactie:
N2 + 3H2 2 NH3
- gunstig evenwicht bij lagere temperaturen
- bij lage temperaturen is de activeringsenergie van de reactie te hoog
- oplossing geschikte katalysator : Pt-folie, osmium- en uraniumoxiden
kenmerken proces:
- recirculatie onder druk van niet-omgezette N 2/H2 om de totale opbrengst te verhogen
- afscheiding onder druk van gevormde ammoniak
- gebruik van bij reactie vrijgekomen warmte om het gerecirculeerde N 2/H2 voor te
verwarmen.
technische ontwikkeling van de ammoniaksynthese: Het HABER-BOSCH proces
Ook kon dit proces op laboschaal worden uitgevoerd, er waren nog een aantal problemen voor een
industriële installatie:
- de apparatuur moest bestand zijn tegen hoge drukken en temperaturen
- goedkopere katalysatoren moesten gevonden worden
- er moest zuiver N2/H2-gasmengsel voorhanden zijn
- nieuwe meet-en regeltechnieken moesten ontwikkeld worden voor de volledig nieuwe
problemen die ontstonden bij deze omstandigheden
Dit was het eerste moderne chemische proces. Richtinggevend en bepalend voor de ontwikkeling van
de industriële chemie en de chemische technologie in de 20 ste eeuw.
theoretische beschouwingen
de invloed van temperatuur en druk
N2 + 3 H2 2 NH3
Dit is een exotherm proces, we krijgen dus een gunstig evenwicht bij lagere temperaturen. Ook zien
we dat het evenwicht richting ammoniak zal verschuiven bij hoge drukken (principe van Le Chatelier)
, 3
de invloed van de katalysator -mechanisme van de reactie
De katalysator zorgt ervoor dat de activeringsenergie van de reactie verlaagd wordt. Hierdoor wordt
het evenwicht sneller bereikt.
verloopt volgens:
1) diffusie van N2 en H2 naar het oppervlak van de katalysator
2) chemisorptie van N2 en H2 aan dat oppervlak
a. verschil met adsorptie want dat gebeurt aan het oppervlak van de meeste metalen
met N2
b. chemisorptie gebeurt bij N2 enkel bij bepaalde overgangsmetalen en hier kan die wel
reageren met H2
3) reactie tot NH3 aan dat oppervlak
4) desorptie van NH3
5) diffusie van NH3 weg van dat oppervlak
door de katalysator gebeurd de reactie zo snel dat de chemisorptie en desorptie de
snelheidsbepalende stappen zijn geworden, deze kan men versnellen door de stroomsnelheid van de
gassen aan te passen.
- Fe is in praktijk de beste katalysator (mits toevoeging van aktivatoren of promotoren)
- Ruthenium, osmium en uranium zijn theoretisch gezien beter gezien maar zijn veel te duur.
- blijft gevoelig voor verontreinigingen aanwezig in het N 2/H2-gasmengsel
o vooral S, P, As en halogeenverbindingen kunnen de normale levensduur van een
katalysator sterk verminderen.
o Hierdoor moet het synthesegas vooraf zorgvuldig gezuiverd worden.
technische uitvoering
schema
De conversie tot NH3, na éénmalige doorgang door de reactor is 10-20%, dus na het afscheiden van
gevormde NH3 gaan we N2/H2 recycleren. Zo kan de totale conversie verhoogd worden tot 85-90%.
, 4
- Het synthesegas wordt tussen 2 trappen samengedrukt, tussen de twee trappen wordt het
gasmengsel geleidt over moleculaire zeven om de laatste sporen water en CO 2 te
verwijderen.
- na de 2de compressietrap wordt het synthesegas gemengd met de gerecycleerde H 2/N2
gassen
- Dit gasmengsel wordt verdeeld over meerdere convertoren in parallel
o om in geval van vernieuwing katalysator of algemeen onderhoud het
productieproces niet te moeten stilleggen.
- na de convertoren worden ze op verschillende temperatuursniveau’s afgekoeld
- Dan gebeurt het afscheiden van NH 3 (door dit vloeibaar te maken)
o de hogedruk afscheider wordt de ammoniak vloeibaar gemaakt en zo gescheden van
het N2/H2-gas
o in de lagedruk afscheider wordt verder gekoeld door plotse expansie (flashen)
- een deel van het gerecycleerde mengsel wordt afgetapt (purgeergassen) om de opstapeling
van diluenten (CH4 , Ar) te vermijden
o anders zou de partieel druk van deze componenten steeds groter worden wat de
partieel druk van N2 en H2 zou laten dalen wat op zijn beurt een verlaging in
opbrengst betekend
convertoren
Een reactor moet bestand zijn tegen hoge temperaturen en druk en de inwerking van heet
waterstofgas:
- op gewoon staal gaat heet waterstofgas zich binden met het C in het staal tot methaan wat
het staal haar stevigheid laat verliezen
- hierdoor daalt de drukbestendigheid wat gevaar oplevert voor ontploffing.
Om dit scenario te vermijden stroomt bij alle convertortypes het “koude” inkomende synthesegas
langs de binnenzijde van de reactormantel
