فرآیند تولید آمونیاک و اوره
اوره (NH2CONH2) به عنوان یک کود غنی از نیتروژن برای صنعت کشاورزی اهمیت زیادی دارد. در پتروشیمی آمونیاک تولید و سپس بیشتر آن را به اوره تبدیل می کنند. مابقی برای مصارف صنعتی به فروش میرسد. آمونیاک از هیدروژن (از گاز طبیعی) و نیتروژن (از هوا) سنتز می شود. گاز طبیعی حاوی ترکیبات گوگردی است که به کاتالیزورهای مورد استفاده در این فرآیند آسیب می رساند. اینها با واکنش آنها با اکسید روی حذف می شوند.
در فرآیند تولید آمونیاک و اوره، بیشتر آمونیاک در محل برای تولید اوره استفاده می شود. اوره به عنوان یک کود غنی از نیتروژن استفاده می شود و به همین دلیل در کشاورزی، یکی از صنایع اصلی، از اهمیت زیادی برخوردار است. همچنین به عنوان یک جزء در ساخت رزین برای پردازش چوب و در ساخت مخمر استفاده می شود.
فرآیند تولید آمونیاک
آمونیاک در فرآیندی به نام فرآیند هابر تولید می شود که در آن نیتروژن و هیدروژن در حضور یک کاتالیزور آهن واکنش می دهند و آمونیاک تشکیل می دهند. هیدروژن از واکنش گاز طبیعی و بخار در دماهای بالا تشکیل می شود و نیتروژن از هوا تامین می شود. گازهای دیگر (مانند آب و دی اکسید کربن) از جریان گاز خارج می شوند و نیتروژن و هیدروژن از روی کاتالیزور آهن در دما و فشار بالا عبور می‌کنند تا آمونیاک تشکیل شود.
مراحل تولید آمونیاک در فرآیند تولید آمونیاک و اوره به شرح زیر است:
مرحله 1 – تولید هیدروژن
هیدروژن از واکنش متان با آب تولید می شود. با این حال، قبل از انجام این کار، تمام ترکیبات گوگردی باید از گاز طبیعی حذف شوند تا از مسمومیت کاتالیزور جلوگیری شود. اینها با حرارت دادن گاز تا دمای 400 درجه سانتیگراد و واکنش آن با اکسید روی حذف می شوند:
ZnO + H2S → ZnS + H2O
پس از این، گاز به ریفرمور اولیه برای رفرمینگ بخار ارسال می شود، جایی که بخار فوق گرم همراه با متان وارد ریفرمر می شود. مخلوط گاز با گاز طبیعی و گاز تصفیه شده تا دمای 770 درجه سانتیگراد در حضور کاتالیزور نیکل گرم می شود. در این دما واکنش های تعادلی زیر به سمت راست هدایت می شوند و متان را به هیدروژن، دی اکسید کربن و مقادیر کمی مونوکسید کربن تبدیل می کنند.
مرحله 2 – افزودن نیتروژن
گاز سنتز کمی تا دمای 735 درجه سانتیگراد خنک می شود. سپس به سمت اصلاح کننده ثانویه جریان می یابد و در آنجا با مقدار محاسبه شده هوا مخلوط می شود. واکنش بسیار گرمازا بین اکسیژن و متان هیدروژن بیشتری تولید می کند.
مرحله 3 – حذف مونوکسید کربن
در اینجا مونوکسید کربن به دی اکسید کربن (که بعداً در سنتز اوره استفاده می شود) در واکنشی به نام واکنش تغییر گاز آب تبدیل می‌شود:
CO + H2O ↔ CO2 + H2
این در دو مرحله به دست می آید. ابتدا جریان گاز از روی کاتالیزور Cr/Fe3O4 در دمای 360 درجه سانتی گراد و سپس روی کاتالیزور Cu/ZnO/Cr در دمای 210 درجه سانتی گراد عبور داده می شود. واکنش یکسان در هر دو مرحله رخ می دهد، اما استفاده از دو مرحله تبدیل را به حداکثر می رساند.
مرحله 4 – حذف آب
مخلوط گاز بیشتر تا دمای 40 درجه سانتیگراد خنک می شود و در این دما آب متراکم و خارج می شود.
مرحله 5 – حذف اکسیدهای کربن
سپس گازها از طریق یک جریان متضاد محلول UCARSOL (یک محلول MDEA )پمپ می شوند. دی اکسید کربن در UCARSOL بسیار محلول است و بیش از 99.9 درصد از CO2 موجود در مخلوط در آن حل می شود. CO2 باقی مانده (و همچنین هر CO2 که در مرحله 3 به CO2 تبدیل نشده است) با استفاده از کاتالیزور Ni/Al2O3 در دمای 325 درجه سانتیگراد به متان (متاناسیون) تبدیل می شود.
آبی که در این واکنش ها تولید می شود با تراکم در دمای 40 درجه سانتیگراد به صورت فوق خارج می‌شود. دی‌کسید کربن از UCARSOL جدا و در تولید اوره استفاده می‌شود. UCARSOL خنک می شود و برای حذف دی اکسید کربن دوباره استفاده می‌شود.
مرحله 6 – سنتز آمونیاک
مخلوط گاز اکنون خنک شده، فشرده و به حلقه سنتز آمونیاک وارد می شود. مخلوطی از آمونیاک و گازهای واکنش نداده که قبلاً در اطراف حلقه بوده اند با جریان گاز ورودی مخلوط و تا دمای 5 درجه سانتیگراد خنک می‌شوند. آمونیاک موجود حذف می‌شود و گازهای واکنش نداده تا دمای 400 درجه سانتی گراد با فشار 330 بار گرم می‌شوند و از روی کاتالیزور آهن عبور می‌کنند. در این شرایط 26 درصد از هیدروژن و نیتروژن به آمونیاک تبدیل می‌شود. گاز خروجی از مبدل آمونیاک از 220 تا 30سانتیگراد خنک می‌شود. این فرآیند خنک‌سازی، نیمی از آمونیاک را بیشتر متراکم می‌کند و سپس از آن جدا می‌شود.
فرآیند تولید اوره
کود شیمیایی اوره از آمونیاک و دی اکسید کربن در دو واکنش تعادلی کاربامات آمونیوم و اوره تولید می شود. فرآیند تولید اوره به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.
این فرآیند برای به حداکثر رساندن واکنش ها و در عین حال مهار تشکیل بیورت طراحی شده است:
(بیورت)2NH2CONH2 → NH2CONH CONH2 + NH3
این واکنش نامطلوب است، نه تنها عملکرد اوره را کاهش می دهد بلکه بیورت برگ های گیاهان را می سوزاند. این بدان معنی است که کود شیمیایی اوره حاوی سطوح بالای بیورت، برای استفاده به عنوان کود نامناسب است.
فرآیند تولید اوره بعد از تولید آمونیاک در چهار مرحله اتفاق می افتد که به تفصیل در ادامه به این مراحل خواهیم پرداخت.
مرحله 1: سنتز(Synthesis)
مخلوطی از CO2 فشرده و آمونیاک واکنش داده و کاربامات آمونیوم را تشکیل می دهد. این واکنش گرمازا است و گرما توسط یک دیگ که بخار تولید می کند، بازیابی می شود. راکتور اول 78 درصد از دی اکسید کربن را به اوره تبدیل می کند و سپس مایع خالص می شود. راکتور دوم گاز راکتور اول را دریافت می کند و محلول بازیافت می کند.
مرحله 2: خالص سازی (Purification)
ناخالصی های اصلی مخلوط در این مرحله، آب حاصل از واکنش تولید اوره و واکنش دهنده های مصرف نشده (آمونیاک، دی اکسید کربن و کاربامات آمونیوم) است. واکنش دهنده های مصرف نشده در سه مرحله حذف می شوند. ابتدا فشار از 240 به 17 بار کاهش می یابد و محلول گرم می شود که باعث می شود کاربامات آمونیوم به آمونیاک و دی اکسید کربن تجزیه شود.
در همین زمان مقداری از آمونیاک و دی اکسید کربن خارج می شود. سپس فشار به 2 بار و در نهایت به 0.35- بار کاهش می یابد و در هر مرحله آمونیاک و دی اکسید کربن بیشتری از دست می رود. تا زمانیکه مخلوط به فشار 0.35- بار رسید، محلولی از اوره محلول در آب و عاری از سایر ناخالصی ها باقی می ماند.
مرحله 3: غلظت (Concentration)
75 درصد از محلول اوره در خلا حرارت داده می شود که مقداری از آن تبخیر می شود. و غلظت اوره را از 68 درصد وزنی به 80 درصد وزنی در وزن افزایش می دهد. در این مرحله برخی از کریستال های اوره نیز تشکیل می شوند. سپس دمای محلول را از 80 تا 110 درجه سانتیگراد افزایش می دهند تا این بلورها قبل از تبخیر دوباره حل شوند.
در مرحله تبخیر، اوره مذاب (99% وزنی) در دمای 140 درجه سانتیگراد تولید می شود. 25 درصد باقیمانده از محلول 68 درصد وزنی اوره تحت خلا در دمای 135 درجه سانتیگراد در آرایش بخارکننده- جداکننده، دو سری پردازش می شود.
مرحله 4: دانه بندی (Granulation)
اوره به عنوان کود به صورت گرانول با قطر 2 تا 4 میلی متر به فروش می رسد. این گرانول ها با پاشش اوره مذاب درون دستگاه دانه ریزی که روی بستری از هوا قرار دارند، تشکیل می شوند. این اتفاق در دستگاه دانه ریزی رخ می دهد که دانه های با سایز استاندارد را در یک انتها دریافت می کند و دانه های بزرگ را به سمت دیگر تخلیه می کند. زیرا اوره مذاب از طریق نازل ها پاشیده می شود.
دانه های خشک و خنک با استفاده از سرند طبقه بندی می شود. دانه های بزرگ، خرد و برای استفاده به عنوان دانه با دانه های کم اندازه ترکیب می شوند. محصول نهایی در هوا خنک می شود، وزن می شود و به انبار انبوه برای فروش منتقل می شود.
برج پریلینگ
برج پریلینگ دارای سیستم پرده های باز متغیر است، این به کنترل جریان ورودی هوا به برج پرتابل در پایین کمک می کند، که در فصول بارانی بسیار مفید است. زیرا CRH (رطوبت نسبی بحرانی) اوره کمتر از رطوبت اتمسفر می شود و پریل ها تمایل به جذب رطوبت از هوا دارند.
رطوبت هوا در طول ارتفاع برج به دلیل تبخیر رطوبت از پریل افزایش می یابد. نرخ تغییر رطوبت در بالا بیشتر از مقدار پایین است و نشان می دهد که بیشتر رطوبت در بالا زمانی که پریل در مرحله مایع است حذف می شود. تحت شرایط خاصی از عملیات نیروگاه، حذف مقدار لازم گرما از دانه های بزرگتر به منظور دستیابی به تعادل حرارتی قبل از رسیدن ذرات به پایین برج امکان پذیر نیست. این امر دمای پرتابل بالا را برای پریل های با قطر بزرگ توجیه می کند.
موارد استفاده از کود شیمیایی اوره
کود شیمیایی اوره به عنوان یک کود غنی از نیتروژن استفاده می شود و به همین دلیل در کشاورزی، یکی از صنایع مهم در دنیا، از اهمیت زیادی برخوردار است. همچنین به عنوان یک جز در ساخت رزین برای پردازش چوب و در ساخت مخمر استفاده می شود.
آمونیاک (NH3) پایه همه کودهای نیتروژنی است و دارای بیشترین مقدار نیتروژن (82%) است. آمونیاک را می توان مستقیماً روی خاک اعمال کرد، اما به دلایل متعدد، از جمله زیست محیطی، پردازش بیشتر آمونیاک به عنوان مثال، اوره یا نیترات قبل از استفاده، رایج است.
اگر آمونیاک مستقیماً به خاک اعمال شود، قبل از اینکه گیاهان بتوانند از آن به عنوان منبع نیتروژن استفاده کنند، باید به آمونیوم (NH4) و نیترات تبدیل شود. در حالی که آمونیوم و نیترات به راحتی در دسترس گیاهان هستند، اوره ابتدا باید به آمونیوم و سپس به نیترات تبدیل شود.
دانلود فایل pdf فرآیند تولید آمونیاک و اوره
