Amonyak üretimi - Ammonia production

Amonyak

Amonyak , en çok üretilen inorganik kimyasallardan biridir. Dünya genelinde 2016 yılında toplam 144 milyon ton azot (175 milyon ton amonyak eşdeğeri) üreten çok sayıda büyük ölçekli amonyak üretim tesisi bulunmaktadır . Dünya üretiminin %31,9'unu Çin üretirken, onu %8,7 ile Rusya, %8,7 ile Rusya ve %7,5 ve ABD %7,1 ile. Üretilen amonyağın %80 veya daha fazlası tarımsal ürünlerin gübrelenmesinde kullanılır. Amonyak ayrıca plastiklerin, liflerin, patlayıcıların, nitrik asitin ( Ostwald prosesi yoluyla ) ve boya ve ilaç ara ürünlerinin üretiminde de kullanılır .

Tarih

Birinci Dünya Savaşı'nın başlamasından önce , çoğu amonyak azotlu bitkisel ve hayvansal ürünlerin kuru damıtılmasıyla elde edilirdi ; indirgenmesiyle nitröz asit ve nitritler ile hidrojen ; ve ayrıca amonyum tuzlarının alkali hidroksitler veya sönmemiş kireç ile ayrışmasıyla, en genel olarak kullanılan tuz klorürdür ( sal-amonyak ).

Amonyak sentez sürecinin blok akış diyagramı.

Bugün, çoğu amonyak, günde 3.300 tona varan kapasitelerle Haber süreci tarafından büyük ölçekte üretilmektedir . Bu işlemde, N- 2 ve H 2 gazlar 200 bar basınçlarda reaksiyona girmeye bırakılır. Amonyak da kömür tarafından işlenir.

1960'ların ortalarında American Oil Co, Texas City, TX'de MW Kellogg tarafından tasarlanan ve 544 mt/gün kapasiteli tek konvertörlü bir amonyak tesisi kurdu. Tek tren tasarım konsepti o kadar kapsamlıydı ki 1967'de "Kirkpatrick Kimya Mühendisliği Başarı Ödülü"nü aldı. Tesis, sentez gazını 152 bar basınca sıkıştırmak için dört kasalı bir santrifüj kompresör kullandı ve son sıkıştırmayı çalışma basıncına getirdi. pistonlu kompresörde 324 bar meydana geldi. Sentez döngüsü ve soğutma hizmetleri için santrifüj kompresörler de uygulandı, bu da önemli bir maliyet sağladı, bu da onu çok fazla sıkıştırdı.

1964 ve 1992 yılları arasında inşa edilen hemen hemen her fabrika, 25-35 barda sentez gazı üretimi ve 150-200 barda amonyak sentezi ile büyük tek tren tasarımlarına sahipti. Braun'un ((şimdi KBR)) başka bir varyasyonu, sade tasarıma hafif tavlama sundu. Braun Purifier proses tesislerinde, dönüştürücünün boyutunu ve maliyetini azaltmak için düşük çıkış sıcaklığına ve yüksek metan sızıntısına sahip birincil veya boru şeklinde bir dönüştürücü kullanıldı. Birincil dönüştürücü çıkış akımının metan içeriğini %1-2'ye düşürmek için ikincil dönüştürücüye fazla hava eklendi. Fazla nitrojen ve diğer safsızlıklar, metanatörün akış aşağısında silindi. Sentez gazı esasen safsızlıklardan arınmış olduğundan, yüksek bir amonyak dönüşümü elde etmek için iki eksenel akışlı amonyak dönüştürücü kullanıldı.

Modern amonyak üreten tesisler

Tipik bir modern amonyak üreten tesis, önce doğal gazı , sıvılaştırılmış petrol gazını veya petrol naftasını gaz halindeki hidrojene dönüştürür . Hidrokarbonlardan hidrojen üretme yöntemi , buhar reformasyonu olarak bilinir . Hidrojen daha sonra Haber-Bosch işlemi yoluyla amonyak üretmek için nitrojen ile birleştirilir .

Doğal gazla başlayan ( CH
4) hammadde, hidrojen üretme sürecinde kullanılan farklı adımlar şunlardır:

  • İşlemdeki ilk adım, kükürt bileşiklerini besleme stoğundan çıkarmaktır çünkü kükürt , sonraki adımlarda kullanılan katalizörleri deaktive eder . Kükürt giderme , besleme stoklarındaki kükürt bileşiklerini gaz halindeki hidrojen sülfüre dönüştürmek için katalitik hidrojenasyon gerektirir :
H 2 + RSH → RH + H 2 S (gaz)
  • Gaz halindeki hidrojen sülfür daha sonra adsorbe edilir ve katı çinko sülfüre dönüştürüldüğü çinko oksit yataklarından geçirilerek çıkarılır :
Hidrojen üretmek için bir süreç olan doğal gazın buharla reforme edilmesinin girdi ve çıktılarının gösterilmesi .
H 2 S + ZnO → ZnS + H 2 O
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
  • Karbondioksit daha sonra ya sulu etanolamin solüsyonlarında absorpsiyonla ya da tescilli katı adsorpsiyon ortamı kullanılarak basınç salınımlı adsorplayıcılarda (PSA) adsorpsiyonla çıkarılır .
  • Hidrojenin üretilmesindeki son adım, hidrojenden küçük miktarda karbon monoksit veya karbon dioksit kalıntısı çıkarmak için katalitik metanasyonu kullanmaktır :
CO + 3 H 2 → CH 4 + H 2 O
CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Arzu edilen nihai ürün amonyakını üretmek için, hidrojen daha sonra susuz sıvı amonyak oluşturmak üzere nitrojen (işlem havasından türetilen) ile katalitik olarak reaksiyona sokulur . Bu adım, amonyak sentez döngüsü olarak bilinir ( Haber-Bosch işlemi olarak da adlandırılır ):

3 H 2 + N 2 → 2 NH 3

Amonyak sentez reaksiyonunda kullanılan (tipik olarak çoklu teşvikli manyetit ) katalizörün doğası gereği, sentezde sadece çok düşük seviyelerde oksijen içeren (özellikle CO, CO 2 ve H 2 O) bileşikler tolere edilebilir (hidrojen ve nitrojen karışımı) gazı. Nispeten saf nitrojen, hava ayırma ile elde edilebilir , ancak ilave oksijen giderimi gerekebilir.

Nispeten düşük tek geçişli dönüşüm oranları (tipik olarak %20'den az) nedeniyle, büyük bir geri dönüşüm akışı gereklidir. Bu, döngü gazında inertlerin birikmesine yol açabilir.

Buhar dönüştürme, vardiya dönüştürme, karbondioksit giderme ve metanlaştırma aşamalarının her biri, yaklaşık 25 ila 35 bar mutlak basınçlarda çalışır ve amonyak sentez döngüsü, hangi tescilli tasarımın kullanıldığına bağlı olarak 60 ila 180 bar arasında değişen mutlak basınçlarda çalışır. Amonyak sentez tesisleri için tescilli tasarımlar sunan birçok mühendislik ve inşaat şirketi bulunmaktadır. Danimarka'dan Haldor Topsoe , Almanya'dan Thyssenkrupp Industrial Solutions GmbH, İsviçre'den Casale SA ve Amerika Birleşik Devletleri'nden Kellogg Brown & Root bu alanda en deneyimli firmalar arasındadır.

Sürdürülebilir amonyak üretimi

Hidrojen üretmek için bir süreç olan metan pirolizinin girdilerini ve çıktılarını gösteren .
Daha fazla bilgi: Haber süreci § Ekonomik ve çevresel yönler

Amonyak üretimi , ağırlıklı olarak doğal gaz olmak üzere bol miktarda enerji kaynağına bağlıdır . Amonyağın yoğun tarım ve diğer süreçlerdeki kritik rolü nedeniyle sürdürülebilir üretim arzu edilir. Bu, kirletici olmayan metan pirolizi kullanılarak veya yenilenebilir enerji kaynaklarından veya nükleer enerjiden sıfır karbonlu elektrik kullanılarak suyun (veya buharın) elektrolizi yoluyla hidrojen üretilmesiyle mümkündür .

Hidrojen üretimi için suyun basit elektrolizinin girdi ve çıktılarının gösterilmesi .

Bu, hidrojen üretiminin bir kısmını yakıttan hammadde kullanımına çevirerek bir hidrojen ekonomisinde basit olacaktır . Örneğin, 2002'de İzlanda , hidroelektrik santrallerindeki aşırı elektrik üretimini , öncelikle gübre için amonyak üretimi için kullanarak, elektroliz yoluyla 2.000 ton hidrojen gazı üretti . Vemork Norveç HES onun fazla elektrik çıkışını kullanılan yenilenebilir nitrik asit üreten 15 MWh / nitrik asit Ton gerektiren, 1911 ile 1971 yılları arasında. Aynı reaksiyon, atmosferik nitrojeni çözünür nitratlara dönüştürmek için doğal bir kaynak sağlayan yıldırım tarafından gerçekleştirilir. Pratikte, doğal gaz, en ucuz olduğu sürece, amonyak üretimi için ana hidrojen kaynağı olmaya devam edecektir .

Atık su genellikle amonyak bakımından yüksektir. Amonyak yüklü suyun çevreye boşaltılması, atık su arıtma tesislerinde bile sorunlara neden olabileceğinden , amonyağın giderilmesi için genellikle nitrifikasyon gereklidir. Bu, bolluğu ve her halükarda sudan çıkarılması gereği nedeniyle gelecekte potansiyel olarak sürdürülebilir bir amonyak kaynağı olabilir . Alternatif olarak, atık sudaki amonyak, hidrojen ve temiz arıtılmış su üretmek için yenilenebilir enerji kaynaklarıyla (Güneş PV ve Rüzgar türbini) çalışan bir amonyak elektrolizörüne (amonyak elektrolizi) gönderilir. Amonyak elektrolizi, su elektrolizinden çok daha az termodinamik enerji gerektirebilir (alkali ortamda sadece 0,06 V).

Atık sudan amonyağın geri kazanılması için başka bir seçenek, amonyak-su termal absorpsiyon döngüsünün mekaniğini kullanmaktır. Bu seçeneği kullanarak, amonyak sıvı veya amonyum hidroksit olarak geri kazanılabilir. İlkinin avantajı, işlenmesi ve taşınmasının çok daha kolay olması, ikincisi ise çözelti içinde yüzde 30'luk bir amonyum hidroksit konsantrasyonu üretildiğinde ticari bir değere sahip olmasıdır.

Kömürden yapılan amonyak

Kömürden amonyak yapma süreci.

Kömürden yapılan amonyak, esas olarak Çin tarafından uygulanan bir süreçtir. Çin, 2014 yılında küresel üretimin yaklaşık %32,6'sını üretirken, Rusya, Hindistan ve ABD %8,1, %7,6 ve %6,4'ünü üretti. Amonyaklarının çoğu kömürden geliyordu. Kömür bazlı bir amonyak tesisindeki temel işleme, O2 ve N2'nin havadan ayrılması için bir hava ayırma modülünden, gazlaştırıcıdan, ekşi gaz kaydırma modülünden, asit gazı giderme modülünden ve amonyak sentez modülünden oluşur. Hava ayırma modülünden gelen oksijen, kömürü sentez gazına (H2, CO, CO2) ve CH4'e dönüştürmek için gazlaştırıcıya beslenir. Birçok gazlaştırıcı tasarımı vardır, ancak çoğu gazlaştırıcı, atmosferik basıncın üzerinde çalışan ve farklı kömür beslemelerini kullanma kabiliyetine sahip olan akışkan yataklara dayanmaktadır.

Frank-Caro Süreci

Adolph Frank ve Nikodem Caro, N²'nin kalsiyum karbür ile kalsiyum-siyanamid oluşturmak üzere sabitlenebileceğini ve daha sonra su ile bölünerek amonyak oluşturabileceğini buldu.

Perdaman Fabrikası

Dünyanın en büyük fabrikası Perdaman, Batı Avustralya'da bulunuyor. Günde 3.500 mt ve yılda 1.277.500 mt üretir. Perdaman Chemicals and Fertilizers (Perdaman), Batı Avustralya, Karratha'daki 4 milyar A$'lık amonyak/üre tesisi için Haldor Topsoe'nun SynCOR Amonyak çözümü için bir lisans ve mühendislik sözleşmesi imzaladı. Üre lisansörü olarak Stamicarbon seçilmiş ve gaz tedariği sağlanmıştır. Bir sonraki kilometre taşı projesinin Mart 2020'nin sonuna doğru bekleniyordu. Perdaman Chemicals and Fertilizers, Batı Avustralya'daki Üre Projesi için EPC çalışması için SNC-Lavalin ile bağlayıcı bir Anlaşma Başkanları imzaladı.


Lütfen bu bölümü kaldırın Mart 2020 16 aydan önce geçti. MOU gerçek üretim veya gerçek bir tesis değil

Kapanmalardan kaynaklanan yan ürünler ve kıtlıklar

Amonyak üretiminin temel endüstriyel yan biri CO 2 . 2018 yılında, yüksek petrol fiyatları ticari bir yol Avrupa amonyak fabrikaları uzun bir yaz kapatma sonuçlanan CO 2 , böylece örneğin bira ve gazlı alkolsüz içecekler gibi gazlı içecekler üretimini önlenmesini, sıkıntısı. Bu durum, doğal gazın toptan satış fiyatının yıl boyunca %250-400 artması nedeniyle Eylül 2021'de tekrarlandı.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar