بخشی از مقاله
چکیده
در دهه های اخیر، بدلیل اهمیت تولید آمونیاک به عنوان ماده اولیه شیمیایی در بسیاری از صنایع و همچنین تولید کودهای شیمیایی نیتروژن دار مانند اوره، تحقیق و بررسی های زیادی در زمینه بهینه سازی و شبیه سازی فرآیند تولید آن انجام گرفته است. در این مقاله با توجه به اهمیت میزان تولید بهینه آمونیاک در واحد آمونیاک 2 پتروشیمی رازی با ظرفیت اسمی 1000 تن در روز، راکتور سنتز آن با نرم افزار Aspen-Hysys شبیه سازی شده است. این راکتور از نوع Plug بوده و واکنش سنتز آمونیاک در حضور کاتالیست آهن فعال انجام می گیرد. در این مطالعه سنتز در دو فشار 114 و 130,5 EDU D شبیه سازی شده است. در ادامه، نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های موجود مقایسه و درصد اختلاف آن ها ارایه گردیده است. به طوری که نتایج شبیه سازی
انطباق بسیار خوبی با مقادیر موجود در نشان می دهد.
کلمات کلیدی:آمونیاک، راکتور سنتز آمونیاک، شبیه سازی، Aspen-Hysys
مقدمه
آمونیاک به عنوان یک ماده ی اولیه شیمیایی دربسیاری از صنایع جهان مورد استفاده قرار می گیرد و بعد از اسید سولفوریک بیشترین مصرف را در صنایع شیمیایی داراست. همچنین در تهیه ی کودهای شیمیایی نیتروژن دار نقش پایه یی دارد. شیمی دان ها در طی این کشف بزرگ با سختی های بی سابقه یی مواجه بودند. در سال 1787 برتولت عنوان کرد که آمونیاک از عناصر نیتروژن و هیدروژن ساخته شده است. بسیاری از شیمی دان های آن زمان تلاش و همکاری بزرگ تحقیقاتی پیرامون سنتز آمونیاک بوسیله ی عناصر نیتروژن و هیدروژن انجام دادند. در آن مقطع ابتدا هابر استفاده از تکنولوژی واکنش در فشار بالا را پیشنهاد کرد.
اگرچه صنعتی کردن آن طرح در مقیاس تولیدی مقدار ناچیزی آمونیاک دربر داشت. در فوریه سال 1908 توافق نامه یی با کمپانی BASF به امضا رسید و این شرکت مسوولیت بخش توسعه صنعتی خود را به پیشنهاد هابر به کارل بوش واگذار کرد. بوش می دانست که با سه چالش روبه رو است : -1 طراحی روش هایی برای تهیه ارزان نیتروژن و هیدروژن -2 یافتن یک کاتالیست سودمند و پایدار -3 توسعه تجهیزات و مواد برای سنتز آمونیاک در فشار بالا.سنتز آمونیاک به سرعت توسعه پیدا کرد. اولین دستگاه سنتز آمونیاک در جهان در سپتامبر 1913 کار خود را شروع کرد. به سرعت حدود 2000 دستگاه سنتز آمونیاک با ظرفیت تولید سالانه 2200 - 1000 تن در جهان شروع به کار کردند.[1]
این فرآیند توسط هابر و بوش نخستین بار مطرح شد.[2] آمونیاکی که در مقیاس بزرگ با این فرآیند تولید می شد، از کاتالیست واکنشی با دمای 600-400 درجه سانتی گراد و فشار عملیاتی 40-20 مگاپاسکال استفاده شده بود.[3] این فرآیند نیازمند انرژی زیادی حدود %2-%1 کل انرژی ذخیره شده در سراسر جهان بود.[4] ثابت نگه داشتن نیتروژن در این فرآیند همواره برای دانشمندان مهم بوده ودر قرن بیستم در فرآیند هابر - بوش در نظر گرفته شده است. تکنولوژی کاتالیست سنتز آمونیاک که با همکاری هابر - بوش اختراع شد، بعدها در حدود سال های 1960 در صنعت آمونیاک چین نیز صورت گرفت که این تلاش ها و همکاری ها با کاتالیست Fe3o4 بر پایه ی کبالت آغاز شد و همچنین کاتالیست با اکسیدهای مختلف آهن Fexo بر پایه ی روتنیوم.
این تلاش ها در چین منجر به ساخت کاتالیست هایی با نام های تجاری A301 ,A110-2 و ... شد, که اساس ساخت کاتالیست های سنتز آمونیاک برای حدود سی سال شده بود.[10]در حال حاضر %50 نیتروژن موجود در بدن ما حاصل سنتز آمونیاک است. یعنی اگر این کشف بزرگ صورت نمی گرفت, %50 ازانسان های کنونی زنده نبودند. این موفقیت بزرگ در صنعت آمونیاک سازی علاوه بر صنایع کامپیوتر، تلویزیون سازی و فضایی، تاریخچه محصولات غذایی جهان را نیز تغییر داد. براساس آماری که سازمان جهانی کشاورزی و غذا در سال 2010 منتشر کرد آمونیاک در بیش از %40 تولیدات غذایی سهم عمده دارد. هم اکنون نرخ رشد جمعیت زمین حدود4/2 برابر جمعیت 1/7 میلیاردی در ابتدای قرن بیستم است درحالی که با این اختراع نرخ رشد تولیدات غذایی حدود 7/8 برابر بوده است.
انسان ها هنوز می توانند محصولات متنوعی از لباس و غذا را از منابع معدنی که اساسا وابسته به این کشف است را تولید کنند.[1] هیدروژن مورد نیاز برای سنتز تا قبل از جنگ جهانی دوم از هیدروکربن های حاصل از منابع ذغال سنگ بدست می آمد. ولی در حال حاضر اغلب از گاز طبیعی تامین می شود. همانطور که پیش تر اشاره شد مصرف انرژی برای سنتز آمونیاک بالا می باشد که دانشمندان را به سمت انتخاب روشی برای کاهش انرژی سوق می دهد. با توسعه معلومات و پیشرفت علم کاتالیست و فن آوری کامپیوتر، تعداد زیادی آزمایش انجام و اطلاعات بسیاری جمع آوری گردید. در سال های اخیر دانشمندان زیادی در سطح مولکولی کاتالیست ها را مورد بررسی قرار دادند و به پیشرفت های قابل ملاحظه ای دست یافتند[5]و.[6]
دراین مقاله به کمک نرم افزار - Aspen Hysys - 8.3 برج سنتز کاتالیستی آمونیاک - Converter - شبیه سازی و بررسی شده است.
شرح فرآیند
در این مقاله واحد مورد بررسی واحد آمونیاک 2 پتروشیمی رازی واقع در بندر امام خمینی - ره - می باشد که برج واکنش سنتز آن توسط شرکت CASALE بازسازی شده است. این واحد با ظرفیت اسمی 1000 تن در روز در سال 1349 ساخته شده است. در این واحد گاز خوراک ورودی - متان - به واحد به دلیل دارا بودن مقداری ترکیبات گوگردی, ابتدا با تزریق هیدروژن در برج هیدروژناسیون تبدیل به هیدروژن سولفید می شود، سپس به وسیله ی محلول مونو اتانول آمین در برج جذب، هیدروژن سولفید آن جدا شده و گاز خوراک وارد بسترهای جاذب اکسید روی می شود تا در صورت وجود احتمالی ترکیبات گوگردی در گاز توسط این بسترها جذب شوند.
پس از تصفیه ی گاز، فرآیند شکست اولیه گاز یا ریفرمینگ به همراه بخار آب در حضور کاتالیست اکسید نیکل انجام می گیرد. این فرآیند گرماگیر بوده و انرژی مورد نیاز آن توسط تعداد زیادی مشعل تامین می شود. پس از شکست اولیه، گاز با حدود % 10 متان شکسته نشده وارد ریفرمر ثانویه با همان کاتالیست اکسید نیکل می شود. قبل از ورود به این راکتور به وسیله ی یک کمپرسور، هوای داغ به گاز تزریق می شود تا ضمن تامین نیتروژن مورد نیاز گاز سنتز، انرژی شکست را هم برای واکنش انفجاری هیدروژن و اکسیژن فراهم کند. پس از شکست، مونواکسید تولید شده در اثر سوخت ناقص و نیز واکنش های جانبی در طی دو مرحله و در دو راکتور تبدیل کننده که یکی با دمای بالا و دومی با دمای پایین کار می کند به کربن دی اکسید تبدیل می شود.
تبدیل مونواکسید به دی اکسید در این دو رآکتور در حضور کاتالیست اکسید مس صورت می گیرد. پس از این مرحله می بایست کربن دی اکسید از گاز سنتز جدا شود. این عملیات نیز توسط محلول مونو اتانول آمین در برج جذب صورت می گیرد. کربن اکسید جدا شده جهت خوراک واحدهای اوره سازی، استفاده می شود. در ادامه گاز سنتز وارد رآکتور متانیتور می شود تا مونو اکسید ها و دی اکسید کربن های جدا نشده به متان تبدیل شوند . این تبدیل در حضور کاتالیست اکسید نیکل صورت می گیرد. حال گاز سنتز برای رسیدن به فشار عملیاتی مورد نظر در برج واکنش آمونیاک وارد کمپرسور سنتز شده و در نهایت راهی برج واکنش می شود.
راکتور سنتز آمونیاک شامل سه بستر کاتالیستی و دو مبدل حرارتی است. کاتالیست آن اکسید آهن می باشد که برای استحکام و فعالیت بهتر از اکسید های کلسیم, آلومنیوم و پتاسیم در ساخت آن استفاده شده است. قبل از واکنش می بایست این ترکیب، به صورت آهن فعال دربیاید. احیای آن با عبور دادن گاز هیدروژن از روی کاتالیست انجام می شود :سانتی گراد می باشد. دما و فشار بیشتر قطعا باعث صدمه به کاتالیست می شود. البته تحقیقات برخی محققان نشان می دهد که اگر از کاتالیست طلا بر پایه روتنیوم استفاده شود واکنش سنتز در دما و فشار خیلی پایین تر - نزدیک به دما و فشار محیط - نیز تولید خواهد شد، که البته نیاز است از لحاظ اقتصادی و صنعتی بررسی دقیق صورت گیرد.[2]
شبیه سازی
راکتور واکنش آمونیاک از نوع لوله ای و عمودی می باشد، که شامل سه بستر کاتالیستی و دو مبدل حرارتی گاز - گاز است. حجم بستر ها به ترتیب 8/2، 14/1 و55/5 مترمکعب که از بالا - ورود گاز - به پایین حجم افزایش می یابد. شعاع هر بستر حدود سه متر می باشد. مسیر عبور گاز از بستر ها و مبدل ها و سایر خطوط جریان به صورت شماتیک در شکل - 1 - نشان داده شده است. مبدل حرارتی اول در بالای رآکتور و در ابتدای ورود گاز سنتز قرار دارد که با گاز خروجی یا محصول تبادل حرارت کرده و پیش گرم می شود. مبدل دوم بین بستر دوم و سوم قرار دارد و برای کنترل دمای واکنش استفاده می شود. برای تنظیم دمای نقاط مختلف رآکتور و بستر ها به غیر از این دو مبدل چند شیر کنترل نیز در نظر گرفته شده است، که به هنگام بالا رفتن دما به علت تولید آمونیاک، با تزریق گاز تازه - دما پایین - کنترل می کند . همان طور که پیش تر به آن اشاره شد این روش تولید آمونیاک به افتخار فریتز هابر آلمانی که آن را کشف کرد، روش هابر گفته می شود و به صورت زیر می باشد:[12]
