الأساليب التركيبية synthesis systems

تقوم مركبات الامونيا جميعها على اساس التفاعل الاجمالي (1) الذي ذكر سابقا . هذا التفاعل ناشر للحرارة الى حد بعيد ، وبالتالي يجب ان يساعد تصميم المحول ( الصورة 1 ‏- 1 ) على حماية الوحدة من فرط التسخين ، وذلك لتامين التحكم بدرجة حراره مثالية بالنسبة للتحويل ولحماية الغلاف من التشوه تحت تأثير شدة الضغط وارتفاع درجة الحرارة . وبوضح مخطط الانتاج في الصورة ادناه ‏الخطوات الاساسية للأسلوب المتداول .

‏يحضر غاز الامونيا التركيبي عن طريق التحسين المحفز للهيدروكربونات عند ضغط مرتفع ، وهو الغاز الطبيعي الخالي من الكبريت ، بوجود البخار فوق مادة حفازة من النيكل في جهاز التشكيل الاولي ، واخضاعها بعد ذلك للحفز عند درجة ‏حرارة منخفضة بوجود الهواء في واحد او اكثر من اجهزة التشكيل الثانوية. يلبي تفاعل التغيير هدفين :

‏(1) فهو ينتج مزيدا من الهيدروجين من الوقود ذاته .

‏(2‏) وهو يؤكسد كثيرا من اول اكسيد الكربون الى ثاني اكسيد كربون يمكن ازلته بسهولة اكبر .

‏وجرت العادة ان تضاف شحنة اكبر من المعتاد الى السرير الحفاز ذي الحرارة المنخفضة . فتحتجز هذه المادة الحفازة " الحارسة " سموم الكبريت والكلور وتطيل عمر المادة الرئيسية الحفازة بمقدار 100 % .

‏بعد ازالة CO2 بالماء وبعد حدوث الامتصاص الكيميائي ، تتحول كليا اية ثمالة من CO و CO₂ في جهاز المثينة methanator الى ميثان . الميتان غاز خامل فيما يتعلق بمادة الامونيا الحفازة . والمسالة المهمة في كامل المعالجة هي المحافظة على الحرارة واعادة استخدامها ، ويقال بأن مصنع الامونيا هو في الواقع مصنع لإنتاج البخار وينتج الامونيا بصورة عرضية . فهو ينتج البخار اكثر بكثير مما ينتج الامونيا ( 4 ‏: 1 ) .

‏بعد متينة المادة الحفازة عند الضغط 2.75 MPa ، يرفع مزيج الهيدروجين - نتروجين 1 ‏: 3 ‏الخالي من المركبات الحاوية على الكربون ، باستثناء قليل من الميثان ، الى ضغط التفاعل التام عند 20 MPa تقريبا بواسطة ضاغط تدير ( عادة ) عنفة ويعمل بقوة الطر المركزي .

‏تستخدم طرق مختلفة لتنظيم درجات الحرارة في المحولات ، فتقحم ملفات تبادل حراري او يحتن غاز بارد بين الاسرة . وبعدئذ يصار الى استرجاع الامونيا بواسطة التبريد او الامتصاص وتعالج كسائل لا مائي تحت ضغط معتدل .

‏بعد ازالة الامونيا ، تصبح الغازات المتبقية عالية القيمة الى حد لا يجوز فيه طرحها . فهي تحتوي على كل الغازات الخاملة كـ ‏( . CH₄, Ar , Ne , etc  ) وبتراكيز مرتفعة . ولذلك ، يجري تنظيم تركيزها عن طريق ازالة ( طرد) بعضها بصورة متواصلة .

‏عندما كان الفيول رخيصا ، كانت هذه الغازات تحرق ، لكنها باتت تجرد اليوم من المواد غير المرغوبة ويعاد استخدامها. حدثت في السبعينات ثورة في تصنيع الامونيا عندما استبدلت الضواغط الترددية التي كانت تستخدم يومها بوحدات الطرد المركزي . كانت معالجة الامونيا تعتبر فعالة وناضجة الى حد كبير ، ولكن الفحص الدقيق خطوة خطوة لهذه الطريقة والضغط الاقتصادي الشديد أديا الى تحسينات رئيسية فيها والى تخفيض الكلفة بمقدار 50 % . ونوجز فيما يلي بعضا من اهم التغييرات التي حدثت :

‏1- عندما درست اجراءات التشغيل بدقة ، اصبح العمل ممكنا بدون تضاعف المعدات ( سلسلة مفردة ) كما تم التخلص من التخزين الوسطي .

الصورة 1-1 . محول الأمونيا التركيبية . يتألف المحول من غلاف ذو ضغط عال يحتوي على جزء حفاز ومبادل حراري . والجزء الحفاز غلاف اسطواني يتلاءم مع الغلاف الضغطي من الداخل ، تاركا حيزاً حلقياً بين الاثنين . يحتوي الجزء الحفاز على عدة أسرة تستند الى شبكات حجب . وللمحافظة على درجة حرارة مثالية للمادة لإعطاء أعلى مردود ، تحقن السقاية بغاز التغذية على البارد قبل كل سرير حفاز . يحتوي السرير العلوي على أقل البارد من المادة الحفازة . وبما أن تدرج درجة الحرارة أكثر ثباتاً في الأسرة التالية فإن حجوم الأسرة تتدرج ، بحيث يكون أكبرها في الأسفل . يقع المبادل الحراري تحت الجزء الحفاز . فيسخن مسبقاً الغاز الجديد الداخل بالغاز الحار المتفاعل القادم من آخر سرير حفاز . تسمح مسبق وتؤمن التحكم بدرجة الحرارة لأول سرير حفاز .

‏يدخل غاز التغذية عند اعلى المحول وينساب نزولا بين غلاف الضغط وجدار الجزء الحفاز . فيعمل على تبريد الغلاف فيتسخن . ثم يدخل المبادل عند اسفل المحول فيتسخن مسبقا والى حد ابعد بالصبيب الحار عن طريق دورانه حول انابيب المبادل . يدخل جز من غاز التغذية مباشرة الى اعلى السرير الاول ، حيث ‏يلتقي بتغذية مسخنة مسبقا . وعندئذ يدخل التيار المشترك عند حرارة 377 ‏- 425 ‏مئوية الى اعلى السرير الحفاز . يمر الغاز نزولا عبر المادة الحفازة ، مع ارتفاع سريع لدرجة الحرارة مواز لتفاعل تشكيل الامونيا ، وبعدها عبر شبكة الدعم الحفازة الى المجال بين السرير الاول والثاني . تنخفض هنا درجة الحرارة ويخفف محتوى الامونيا عن طريق حقن الغاز البارد للتغذية . فيتيح هذا الاجراء التحكم بكامل الاسرة الحفازة للحصول على درجات حرارة مثالية تعطي اقصى مردود . وبالطرقة ذاتها ، ينساب الغاز نزولا عبر الاسرة الحفازة السفلى .

2- ‏وفرت المواد المحفزة للجودة امكانية التشغيل على نحو اقتصادي عند ضغوط منخفضة تكون فيها الضواغط التي تعمل بقوة الطر المركزي اكثر اقتصادية . واستخدمت الضغوط الاعلى فقط عندما توفرت الوحدات الترددية .

3- ‏كما ان الزيادة في قدرة الضواغط وتحسين المواد الحفازة والمحولات قد زادا من الاهتمام باستخدام الوحدات الكبيرة مما ادى لوفر كبير في النفقات ، وهو وفر تحقق نتيجة لاستخدام الحجوم الكبيرة .

4- ‏مع رفع درجة الحرارة عند مخرج جهاز التشكيك الكيماوي الاولي والتسخين المسبق للهواء الذاهب الى جهاز التشكيل الكيماوي الثانوي الماص للحرارة ، استطاع المصنعون خفض اجمالي كلفة التشكيل الكيماوي . تعمل اجهزة التشكيل الاولية عند درجات حرارة عالية جدا ، ولهذا تكون كلفتها اكبر بكثير من الاجهزة الثانوية . تعمل المفاعلات الان بمرحلة ثنائية .

5- ‏ساعد استخدام الحاسبة الرقمية لضبط العملية وتخفيض الاختلافات ولتحسين التشغيل عند الشروط المثلى المعالجة على تقليص مدى الاختلاف وعلى استمرار التحسن في التشغيل الى درجة اقرب الى الشروط القصوى .

6- ‏يزال معظم ثاني اكسيد الكربون عن طريق الامتصاص في الماء ، ولكن الازالة النهائية تحتاج الى استخدام متفاعل reagent قلوي . وتتنافس في هذا المجال طرق ثلاث :

‏أ- مواد ماصة لا عضوية (K₂CO₃ ‏عادة ) .

ب- مواد عضوية ( الامينات بصورة رئيسية ) .

‏ج- مواد ماصة " فيزيائية " ( كربونات بروبلين الفلور ) .

‏ويوضع الخيار بين هذه الطرق على اساس المستوى الثمالي من CO2 ، وتأثير الشوائب ، ومشكلات التجديد .

7- ‏اصبح الغاز المستنزف من عروة التركيب ، والذي كان يحت ق سابقا ، يسترد في الوقت الحاضر مع تخفيض اساسي ( 15 % تقريبا ) من الطاقة اللازمة لوحدة الانتاج . يسترجع بالفصل القري Cryogenic separation (Petrocarbon Co.) الهيدروجين وبعض النتروجين . ويسترجع بالانتشار الغازي عبر الالياف الجوفاء ( موشور مونسانتو Monsanto's Prism  ) الهيدروجين فقط . يتألف التياران المنفصلان في المعالجة الموشورية من تيار هيدروجين 89 % ،  ونتروجين 6 % ، وغازات خاملة 5 ‏% ، تيار هيدروجين 20 % ، ونتروجين 42 % ، وغازات خاملة 39 ‏ه´: . ويمكن ايضا فصل الغازات الخاملة عن طريق الغسل بالنتروجين عادة ، وذلك قبل دخولها عروة التركيب ( براون Braun ) ، الامر الذي يخفف تيار الطرد . هناك مقاربة مختلفة تماما تستخدم نظام المناخل الجزئية Molecular Sieve بالضغط المتبدل بعد تفاعل التبديل عند درجة الحرارة العالية لإنتاج هيدروجين التغذية عالي النقاوة . ويوفر هذا الاجراء استخدام جهاز التشكيل الثانوي واضافة الهواء الى النظام ، وبالتالي يتوجب الحصول على النتروجين عن طريق تقطير الهواء او طريقة ما تماثلها .

8- ‏تطورت كثيرا اجهزة التحويل التركيبية في هذه الايام وتحسنت الى حد كبير عما كانت عليه التصاميم القديمة . ويستخدم النموذجان ، الافقي والعمودي ، مع شيوع طريقة التبريد بالإسقاء ، ولكن التبريد بطريقة الانابيب المقحمة مازال يستخدم الى حد ما حتى الان .

‏تقليديا ، تمر الغازات الداخلة المسبقة التسخين على امتداد الغلاف ، فتخفض الدرجة القصوى للحرارة فيه . وهبوط الضغط المنخفض امر مرغوب فيه لتخفيض تكاليف التشغيل ، وصغر حجم السرير الحفاز يقلل من حجم المادة الحفازة ( ارتفاع المساحة الى الحجم ) . يحدث معظم التحول في السرير الاول ، نظرا لضخامة قوة الدفع باتجاه التوازن . تتوفر في الوقت الحاضر تصاميم محولات ذات دفق محوري وقطري بطاقة 500 ‏- 1600 ‏طنا يوميا . تعمل التصاميم الحديثة عند الضغط 15 ‏- 30 MPa ودرجة الحرارة 500 مئوية . ويكون تركيز الامونيا الخاربة 16 ‏- 25 % .

9- ‏هناك عدة خيارات لخفض كلفة استخلاص الامونيا من الغازات التي تخرج من المحول . فستخدم عادة التبريد على عدة مراحل مع تخفف الضغط الى حد ما . واذا كان ماء التبريد تمديد البرودة ، فمكن تكاثف بعضه . وحينما كانت الاسواق قريبة ، قد يكون الغسل بالماء مرغوبا لإنتاج ماء الامونيا . يمكن استخدام المزيد من البخار لتدوير جهاز تبريد امتصاصي لتركيز الامونيا . ولكن مشكلة الكلفة تبقى قائمة

‏الكلفة : ان الطريقة التي نختارها لإنتاج الهيدروجين وخامة التغذية هي التي تؤثر على الكلفة النهائية لناتج الامونيا . وتبذل حاليا جهود كبيرة لخفض التكاليف عن طريق خفض استهلاك البخار والفيول . وتستخدم المصانع العاملة في الوقت الحاضر 47 ‏- 45 GJ للطن المتري من انتاج الامونيا . ومع تبسيط اجراءات المعالجة ، وتحسين المواد الحفازة ، والتشغيل بضغوط منخفضة بما يكفي لاستخدام ضاغط ذي مرجلة واحدة ، يمكن نظريا خفض استخدام الطاقة الى 21 ‏GJ للطن المتري . تتوفر حاليا تصاميم لمصانع تنتج الامونيا د 27 ‏GJ للطن المتري ، ولكن الظروف الاقتصادية غير المواتية في الوقت الراهن حالت دون اقامة مصانع من هذا النوع كما قلصت من فربص تطوير التحسينات .