آمونیاک

کاربرد بالای آمونیاک در صنعت کشاورزی و بالخص کودهای شیمیایی (که شامل نیتروژن نیز می باشند) ، آن را به محصولی حیاتی جهت صنعت کشاورزی چه در خارج و چه در داخل کشور مبدل ساخته است.

از اهم کاربردهای آمونیاک تولید کودهای شیمیایی می باشد. ترکیبات تشکیل دهنده کودهای شیمیایی عمدتا شامل اوره، نمکهای آمونیوم (فسفات آمونیوم، نیترات آمونیوم، کلسیم نیترات آمونیوم) و محلول آمونیاک هستند.

از محلول غلیظ آمونیاک جهت ممانعت از خروج اکسیدهای نیتروژن در نیروگاههای برق استفاده می شود. این کاربرد از آمونیاک در مقایسه بقیه کاربردهای آن، بسیار کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.

تولید سالیانه آمونیاک

آمونیاک پس از اسید سولفوریک، رتبه دوم را به عنوان مواد شیمیایی با بزرگترین تناژ.تولید دارد. حجم تولید آمونیاک در کشورهای دارای منابع گاز طبیعی و زغال سنگ (چین و روسیه با کلسیم40%) . که منابعی کم هزینه نیز هستند، بصورت فزاینده ای افزایش یافته است. حجم تولید آمونیاک در بزرگترین نیروگاه جهان حدود 3000 تن در روز می باشد. برنامه های برای ساخت نیروگاهی با ظرفیت تولید 4000-5000تن در روز نیز موجود است که قابل ذکر است کل تولید آمونیاک در سطح جهانی را می توان با 100 نیروگاه اینچنینی مدیریت نمود.

با توجه به افزایش سالیانه جمعیت جهان در حدود 1.4٪ ، افزایش تناژ آمونیاک تولید شده تنها می تواند پاسخگوی این جمعیت فزون یافته (و نه امر دیگری) باشد.

طرز ساخت آمونیاک

تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن در دو مرحله اصلی: صورت می گیرد

الف: تولید هیدروژن

ب: سنتز آمونیاک

( فرایند هابر)

تولید هیدروژن شامل چند فرآیند مجزا می باشد شکل 2 توالی فرایندهای مذکور و محل یک واحد تولید آمونیاک را نشان می دهد (محله 1تا5). از " مبدل" جهت استخراج آمونیاک از هیدروژن استفاده می شود (مرحله 6) .

در شکل2 فرایندهای تولید آمونیاک در یک واحد تولیدی بصورت مرحله به مرحله توصیف شده است:

شکل2: یک واحد تولید آمونیاک در غرب استرالیا

1- واحد گوگردزدایی

2- پالایش اولیه

3- راکتور دما بالا و راکتور دما پایین

4- جذب کربن دی اکسید

5- تولید نوارهای کربن دی اکسید (پالایش محلول اولیه، اتانولامین)

6- مبدل آمونیاک

7- دخیره سازی آمونیاک مایع

8- خط لوله به کشتی جهت صادرات

الف) تولید هیدروژن

هیدروژن تحت متدها و از محصولات متنوعی قابل تولید می باشد. هیدروژن عمدتا از گاز طبیعی، زغال سنگ و یا نفتا تولید می شود. در ذیل متدهای اصلی تولید هیدروژن بصورت جداگانه بررسی می شود:

تولید هیدرژن از گاز طبیعی (متان)

این متد شامل دو مرحله است:

1- تولید هیدروژن از گاز سنتز ( مخلوطی از مونوکسید کربن و هیدروژن ) (پالایش بخار)

2- حذف مونوکسید کربن و تولید مخلوطی از هیدروژن و نیتروژن (واکنش شیفت)

1- تولید گاز سنتز

در هرکدام از متدهای تولید گاز متان، در پروسه تولید از برخی ترکیبات آلی گوگرد و سولفید هیدروژن استفاده می شود که هر دو محصول مذکور باید تحت متدهای خاصی پالایش شوند. در صورت عدم پالایش، این محصولات باعث مسمومیت کاتالیزور مصرفی در پروسه تولید گاز سنتز خواهند شد. در مرحله پالایش گوگرد، ترکیبات آلی گوگرد اغلب قبل از واکنش با اکسید روی، به سولفید هیدروژن تبدیل می شوند. محصولات خام اولیه با هیدروژن ترکیب شده و در دمای 700درجه کلوین تحت تاثیر یک کاتالیزگر شامل ترکیبات کبالت و مولیبدنوم (عمدتا آلومینای خالص) قرار می گیرند.

سپس گازها در دمای 700درجه کلوین در مجاورت اکسید روی قرار گرفته، از روی آن عبور داده می شوند و در نهایت منجر به حذف سولفید هیدروژن می گردد:

پالایش اولیه بخار باعث تبدیل متان و بخار به گاز سنتز(مخلوطی از مونو اکسید کربن و هیدروژن) می شود:

دما بالا و فشار پایین به تشکیل محصولات کمک می نماید (اصل لوشاتلیه. در عمل، واکنشها تحت تاثیر بیش از یک کاتالیزگر نیکلی قرار گرفته، بصورت دقیق بر روی سطح اکسید کلسیم یا اکسید آلومینیوم موجود در لوله عمودی از جنس آلیاژ نیکل تقسیم می شود. این لوله های متوازی تواما تحت فشار 30 اتمسفر به میزان 1000 درجه کلوین در کوره گرم می شوند. این نمونه ای از یک راکتور لوله ای است.

پالایش ثانویه بخار باعث واکنش اکسیژن با هیدروژن و برخی مخلوطهای دیگر موجود در هوا تحت متد عبور از کاتالیزگر نیکلی می شود. بخار و گرمای تولید شده از این پالایش باعث احتراق و در نتیجه بازسازی ساختار متان باقی مانده شود. در این میان واکنش های کلیدی عبارتند از:

گاز حاصل از این فرایند، دارای دمای بسیار بالا (1200درجه کلوین) است که در مبدل های حرارتی سرد می شود. بخار متشکل از آب مورد استفاده در مبدلهای خنک کننده برای به کار انداختن توربینها، و در نتیجه کمپرسورها و راکتورهای پیش گرمایشی مورد استفاده قرار می گیرد.

اخیرا طرح هایی جهت استفاده مستقیم از گرمای تلف شده حاصل از فرایند پالایش ثانویه بخار در فرایند پالایش اولیه موجود می باشند.

در این مرحله، گاز شامل هیدروژن، نیتروژن، مونوکسید کربن و دی اکسید کربن و حدود 0.25٪ متان می باشد. 1٪ آرگون موجود در هوا، در گاز سنتز نیز تجمع می یابد.

2- واکنش "شیفت" یا انتقال

در این فرایند مونوکسید کربن به دی اکسید کربن تبدیل می شود. این در حالی است که میزان هیدروژن تولید شده در مقایسه با بقیه محصولات بسیار بیشتر می باشد.

این فرایند شامل دو مرحله است:

در مرحله اول، موسوم به مرحله "فرایند شیفت در درجه حرارت بالا"، گاز با بخار ترکیب شده و تحت دمای 700درجه کلوین در یک راکتور بستر ثابت از روی یک کاتالیزگر از جنس آهن یا کروم سه اکسید عبور داده می شود. این پروسه منجر به کاهش غلظت مخلوط کربن مونو اکسید از 11% می شود:

در مرحله دوم، موسوم به " فرایند شیفت در درجه حرارت پایین"، مخلوطی از گازها تحت دمای 500درجه کلوین از روی یک کاتالیزگر از جنس مس یا روی عبور داده می شوند. غلظت مونوکسید کربن مجددا تا 0.2٪ کاهش می یابد. این واکنش به دلایلی در دو مرحله انجام می شود:

واکنش گرماده است. با اینحال، با توجه به استفاده متد کنترل تعادل دمایی، در درجه حرارتهای بالا غلظت خروج مونوکسید کربن همچنان بسیار بالا است. بدلیل حساسیت شدید کاتالیزگر مسی در دماهای بالا، این کاتالیزگر برای دماهای پایین مناسب می باشد. لذا در "فرایند شیفت در درجه حرارت بالا" نمی تواند کاربرد موثرداشته باشد.

بخش عمده ای از "فرایند شیفت در درجه حرارت بالا" جهت بازیابی گرما در دمای بالا انجام می شود. سپس در دمای پایینتر که تعادل نیز بسیار مطلوب تر است، گاز از کاتالیزگر فعال اما ناپایدار مسی حذف می شود.

اکنون، مخلوط گاز شامل حدود 18٪ دی اکسید کربن است که تحت یکی از چندین متد موجود جهت پالایش گازها (عمدتا با استفاده از یک محلول بیس) حذف شده است. یکی از مطلوبترین این متدها استفاده از یک بیس آلی (که کربن دی اکسید آن را بخوبی جذب نماید) شامل یک محلول اتانول آمینی می باشد.

دی اکسید کربن در اثر حرارت دادن به محلول حاوی نوارهای کربن دی اکسید تولید می شود. بیشتر دی اکسید کربن تولید شده بصورت مایع است و همانگونه به فروش می رسد. عمده کاربردهای دی اکسید کربن به شرح ذیل می باشد:

در نوشیدنی های گازدار، به عنوان یک خنک کننده در نیروگاه های هسته ای، برای افزایش رشد گیاهان در گلخانه ها.

آخرین رسوبات باقی مانده از اکسیدهای کربن با عبور دادن گاز از روی یک کاتالیزگر نیکلی در دمای 600درجه کلوین از بین می روند:

این فرایند به "متاننشن" موسوم است. گاز متان حاصل ترکیب مشخصی از چند عنصر اصلی است: 74٪ هیدروژن، 25٪ نیتروژن، 1٪ متان، همراه با برخی از آرگونها.

تولید هیدروژن از بنزین سنگین

اگر نفتا به عنوان محصول اولیه خام استفاده شود، یک مرحله پالایش اضافی مورد نیاز است. نفتا تحت حرارت به حالت بخار در می آید، پس از آن با بخار مخلوط شده و پس از عبور از لوله، تا 750درجه کلوین گرم شده، با یک کاتالیزگر نیکلی پوشانیده می شود تا از آسیبهای احتمالی آن در مخلوط آلومینیوم و منیزیم اکسید ممانعت شود. محصول اصلی مخلوطی از متان و اکسیدهای کربن است که در مراحل بعدی با بخار پالایش می شود. قابل ذکر است که اگر محصول اصلی گاز طبیعی باشد، پالایش باید با واکنش شیفت صورت پذیرد.