در قدیم کمبود ازت زمین از یکی از روشهای زیر جبران می شد :

۱-دفن اجساد حیوانات یا شاخ و برگ پوسیده گیاهان در زمین

۲-مخلوط نمودن فضولات حیوانات و یا پرندگان با خاک

۳-کشت متناوب بعضی از گیاهان مانند شبدر، یونجه و لوبیا در زمین مورد نظر .

سهولت استفاده از کودهای شیمیائی جهت گسترش کشاورزی  عمده استفاده از این کودها است .مجتمع پتروشيمي شيراز، به عنوان اولين واحد صنعت پتروشيمی ايران، در سال ۱۳۴۲ كار خود را با توليد كودهای شيميايی ازته در مرودشت فارس كه يكي از قطب‌های كشاورزی كشور است آغاز نمود. اين مجتمع در ۵ كيلومتری غرب مرودشت و پنجاه كيلومتری شمال شيراز در كنار رودخانه كر واقع شده است و جاده منتهی به آن در محل پل خان از جاده شيراز – مرودشت منشعب مي‌شود. مجتمع در ابتدا دارای ۴ واحد توليدی و ۳ واحد جانبی بود. واحدهای توليدی مجتمع عبارتند از آمونياك، اوره، اسيد نيتريك و نيترات آمونيم و واحدهای جانبی عبارتند از آب، برق، بخار و هوای فشرده.

فصل اول:

تاریخچه

 تاريخچة اسيد نيتريك  

اسيد نيتريك در ا بتدا در قرون وسطي به دست بشر ساخته شد. حدوداً در سال ۱۱۰۰ ميلادي گِبر[1] يك روش براي توليد اسيد نيتريك ارائه داد. اين روش تهية آب فورتيس[2] به وسيلة تقطير شوره با سولفات مس و زاج سفيد بود.

در اواسط قرن هفدهم، گلابر[3]، اسيد نيتريك را به وسيلة تقطير كردن شوره با اسيد سولفوريك قوي ساخت. گاونديش[4] در سال ۱۷۸۵ به وسيله عبور دادن جرقه الكتريكي از مخلوط گازهاي نيتروژن و اكسيژن ثابت كرد كه اسيد نيتريك از اين عناصر تشكيل شده است. ميلينر[5] در سال ۱۷۸۸ اسيد نيتريك را به وسيله عبور آمونياك از بالاي دي‌اكسيد‌ منگنز حرارت داده شده و جذب بخارات به وسيله آب به دست آورد.

در سال ۱۸۳۹، کلمن[6] روشي را براي توليد اسيد نيتريك ابداع كرد كه مبناي تهية اسيد نيتريك در حال حاضر نيز مي‌باشد. دراين روش با استفاده از پلاتين مخلوط هوا و آمونياك را اكسيد مي‌كنند و اسيد را توليد مي‌كنند.

در سال ۱۸۴۸، رويلي[7] نشان داد كه اكسيژن و نيتروژن مي‌توانند از هوا گرفته شوند  و براي توليد اكسيدهاي نيتروژن به وسيلة قوس الكتريكي با هم تركيب ‌شوند. اين پديده به وسيلة کروکس[8] نيز انجام شده بود. بر همين اساس و روش، واحد كوچكي در منچستر انگلستان در سال ۱۹۰۰ به كار افتاد.

اما عيب اين روش اين بود كه بازده توليد اكسيدهاي نيتروژن پايين بود و ۵/۱ تا ۲ درصد احتياجات را برطرف مي‌كرد و به نيروي بيشتري نيز احيتاج داشت.

در سال ۱۹۰۲ دو دانشمند به نام هاي بيرکلند[9] و ايد[10] در نروژ واحدي را احداث كردند كه از منابع هيدروژني استفاده مي‌كرد ولي به ۳۵۰۰۰ اسب بخار انرژي نياز داشت. در نهايت روش تهيه به وسيلة اكسيداسيون آمونياك و استفاده از كاتاليست پلاتين به وسيلة استوالد[11] و براور[12] توسعه پيدا كرد و براي اولين بار در سال ۱۹۰۸ در آلمان شروع به كار كرد. روش هاي ديگر توليد به دلايل مختلفي از جمله بالا بودن هزينه، راندمان كم، در دسترس نبودن مواد اوليه (معادن نيترات) به ميزان كافي و . . . نتوانستند به عنوان يك روش صنعتي و توليد انبوه اسيد نيتريك ارائه شوند و تنها در حد يك روش آزمايشگاهي و پايلوت‌هاي كوچك باقي ماندند و همگي منسوخ شدند.

تاريخچة استفاده از اسيد نيتريك به زمان استخراج طلا باز مي‌گردد؛ چرا كه اين اسيد قادر به حل كردن اكثر فلزات به جز طلا مي‌باشد كه به اين ترتيب طلاي خالص از سنگ طلا استخراج مي‌گرديد.

در حال حاضر بيشترين موارد مصرف اسيد نيتريك در تهية كودهاي شيميايي (كشاورزي) از قبيل كودهاي نيترات، نيتروفسفات، كودهاي مخلوط و . . . است. ضمن اين كه در توليد نيترات‌هاي معدني (نيترات آمونيم انفجاري) و آلي، در اسيد شويي تجهيزات صنعتي، آبكاري، مقاوم‌سازي در برابر خوردگي، جداسازي طلا و نقره و در صنايع الكتروليز از اسيد نيتريك به وفور استفاده مي‌شود. در صنايع نظامي، صنايع شيرسازي و صنايع پلاستيك‌سازي نيز مصرف اسيد نيتريك قابل توجه است.

خواص اسيد نيتريك

اسيد نيتريك، اسيدي است قوي همراه با خاصيت اكسيدكنندگي بالا. با حرارت دادن به اسيد نيتريك در فشار اتمسفري در دماي °C ۲/۷۸ مي‌جوشد و شروع به تجزيه شدن مي‌كند كه در نهايت محلول اسيدي ۶۸% بدست مي‌آيد و در اين درصد مخلوط آزئوتروپ دارد و ماكزيمم نقطه جوش آن  °C۱۲۰ مي‌باشد.

اسيد نيتريك داراي دو آب ئيدراته به فرمول هاي  H₂O.HNO_3، و  3H₂O.HNO₃  مي‌باشد. اسيد با درجه خلوص ۱۰۰% داراي نقطة جوش در دماي  °C۸۶ مي‌باشد و نقطه انجماد آن  °C۴۲- مي‌باشد. چگالي آن در  °C۲۰ معادل ۵/۱ گرم در هر ميلي ليتر مي‌باشد.

نمودار زير تغييرات نقطه جوش اسيد نيتريك را در فشار اتمسفر براساس تغييرات غلظت اسيد نمايش مي‌دهد.  

ºc                                                                                       ۱۲۰

                                                                                             ºc۱۰۰

                                                                                             ºc ۸۶                                                                                                

غلظت                %۱۰۰                        %۶۸                                

اسيد نيتريك با درجة خلوص ۱۰۰% پايدار نيست و سريعاً تجزيه مي‌شود؛ به طوركلي هرچه اسيد رقيق تر باشد پايدارتر است.

اسيد نيتريك مايعي بي رنگ مي‌باشد و در صورتيكه گازي در آن حل شود (اكسيدهاي ازت) رنگ آن خرمايي مي‌شود.

خواص مهم اسيد نيتريك در جدول زير ارائه شده است:  

كاربرد اسيد نيتريك

قبل از این، تا حدودي به كاربردهاي اسيد نيتريك اشاره شد. در اينجا به طور كامل تر کاربردهاي اسيد نيتريك شرح داده مي‌شود. اسيد نيتريك براي خالص‌سازي فلزاتي چون طلا و پلاتين استفاده مي‌شود. همچنين براي حل كردن فلزات نامحلولی مثل نقره به كار مي‌رود كه با تشكيل نيترات نقره مي‌توان از آن در عكاسي استفاده كرد. همچنين از اسيد نيتريك مي‌توان در بازيافت پلاتين استفاده كرد و از آنجا كه تمامي نيترات‌هاي فلزات محلول هستند مي‌توان به اين وسيله، اورانيوم را به صورت خالص تهيه كرد كه در نيروگاه هاي اتمي كاربرد دارد. يكي ديگر از كاربردهاي اسيد نيتريك براي توليد كودهاي ازته است.

در مجتمع پتروشيمي شيراز بيشتر اسيد توليدي، براي توليد نيترات آمونيم كه نوعي كود شيميايي است در واحد نيترات آمونيم كه در مجاورت واحد اسيد نيتريك است مصرف مي‌شود.

در صنايع پلاستيك‌سازي و نظامي هم از اسيد نيتريك استفاده مي‌شود.

از ديگر موارد استفاده اسيد نيتريك مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

۱- توليد استر (در اثر واكنش با الكل ها)

۲- توليد مواد منفجره (در اثر واكنش با هيدروكربن ها)

۳- براي توليد نمك (در اثر واكنش با بازها)

۴- به عنوان يك عامل اكسيد كننده از آن استفاده مي‌كنند.

        روش هاي توليد اسيد نيتريك

همان‌گونه كه اشاره شد، در زمان‌هاي گذشته دانشمندان روش هاي مختلفي را براي توليد اسيد نيتريك به كار مي‌بردند كه در نهایت اوستوالد و براور بهترين روش توليد اسيد نيتريك را ارائه كردند و اولين بار اين روش در سال ۱۹۰۸ در آلمان به كار گرفته شد و سرانجام تمام دنيا پي به ارزش آن بردند و در تمام دنيا از اين روش استفاده مي‌شود. اما در اين قسمت دو روش ديگر توليد اسيد نيتريك براي آشنايي بيشتر با روش هاي توليد اسيد نيتريك و علت عدم استفاده از آن ها در حال حاضر، شرح داده مي‌شود:

1- تهيه اسيد نيتريك از واکنش نيترات پتاسيم يا سديم با اسيد سولفوريك (تقطير نيترات پتاسيم)

واكنش انجام گرفته به صورت زير است:

واكنش فوق چون گرمازا است دمائي در حدود °C۹۰۰ دارد كه در آن اسيد توليدي به صورت بخار از محيط خارج مي‌گردد و سولفات سديم در محيط واكنش باقي مي‌ماند.

اين روش داراي اشكالات متعددي است كه عبارتند از:

۱- احتياج به سوخت زيادي دارد.

۲- باعث آسيب ديدن و خرابي وسايل مي‌شود.

۳- اسيد به اكسيد و آب و اكسيژن تجزيه می شود.

۴- توليد HNO₂ كه از تجزية اسيد در ظرف تقطير و جذب آن ها در ظرف مايع كننده به وجود مي‌آيد.

۵- نقطة ذوب سولفات سديم توليدي بالا است (°C۸۸۰)، در نتيجه سخت می گردد و نمي‌توان آن را در انتهاي واكنش خارج کرد.

براي برطرف كردن معايب بالا عمل تقطير را با واكنش دادن مول هاي مساوي از هر دو ماده انجام مي‌دهند. واكنش به اين صورت است:

در اين حالت دماي واكنش  °C۲۰۰ است و در نتيجه اسید توليد شده به صورت جامد نمي‌باشد و راحت از ظرف خارج مي‌شود.

حال روش دوم توليد اسيد نيتريك شرح داده مي‌شود:

2- واكنش بين اكسيژن و نيتروژن در كوره‌هاي خالص و توليد گاز دي اکسيد نيتروژن و جذب آن توسط آب و توليد اسيد نيتريک

     واكنش هاي انجام گرفته به صورت زير مي‌باشد:

اين روش به علت هزينه اقتصادي خيلي زياد كاربردي ندارد.

فصل دوم:

واحد تولید اسید نیتریک در مجتمع پتروشیمی شیراز

واحد توليد اسيد نيتريك در مجتمع پتروشيمي شيراز

در حال حاضر در مجتمع پتروشيمي شيراز دو واحد توليد اسيد نيتريك وجود دارد. يكي از واحدها در منطقة (۱) قرار دارد كه در سال ۱۳۴۲ به دليل نياز كشور به كودهاي شيميايي از جمله كودهاي ازته همراه با واحدهاي نيترات آمونيم، اوره و آمونياك تأسيس شد. در اين منطقه براي توليد اسيد نيتريك از روش اس.بي.اِي[13] (SBA) استفاده مي‌شود.

اين روش توسط پيمانكاران بلژيكي ارائه شد و هدف از احداث اين واحد توليد روزانه ۱۳۶ تن اسيد نيتريك با غلظت ۵۳% مي‌باشد. اما اين مقدار توليد به هيچ عنوان جواب گوي نياز كشور نبود و به همين دليل منطقة (۲) جهت رفع نيازهاي كشور در سال ۱۳۶۴ به بهره‌برداري رسيد كه واحد اسيد نيتريك هم يكي از واحدهاي آن به شمار مي‌رود.

در واحد توليد اسيد نيتريك در منطقه (۲) از روش گراند پارويز[14] استفاده مي‌شود. طراحي و خريد وسايل اين واحد توسط شركت فرانسوي هرتي[15] انجام گرفته است.

توليد روزانه اين واحد ۱۰۳۴ تن اسيد نيتريك با غلظت ۵۸% مي‌باشد كه معادل ۶۰۰ تن اسيد نيتريك ۱۰۰% مي‌باشد. عمده اسيد توليدي در اين واحد جهت خوراك اوليه واحد نيترات آمونيم مصرف مي‌شود. همان‌گونه كه مشاهده مي‌شود مقدار توليدي  اسيد نيتريك در منطقه (۲) بسيار بيشتر از واحد اسيد نيتريك در منطقه (۱) مي‌باشد.

به همين دليل در حال حاضر واحد اسيد نيتريك در منطقه (۱) بهره‌برداري نمي‌شود، چون از لحاظ اقتصادي توجيه ندارد و فقط در مواقع به خصوص كار مي‌كند.

يكي از دلايلي كه توليد اسيد در منطقه (۱) توجيه ندارد اين است كه براي توليد اسيد در منطقه (۱) از هفت برج جذب استفاده مي‌شود، در حالي كه در منطقه (۲) فقط از يك برج جذب استفاده مي‌شود.

        توليد اسيد نيتريك در واحد منطقه (۲) شامل مراحل زير است:

۱- روغن‌زدايي و تبخير آمونياك

۲- فيلتر كردن و فشردن هواي لازم

۳- مخلوط كردن آمونياك و هوا

۴- اكسيداسيون مخلوط در راکتور در مجاورت كاتاليست پلاتين و توليد گاز مونوکسيد نيتروژن

۵- خنك‌سازي گاز مونوکسيد نيتروژن توليد شده براي تبديل به دي اکسيد نيتروژن

۶- جذب گازهاي دي اکسيد نيتروژن در آب و توليد اسيد نيتريک در برج جذب

۷- سفيد كردن اسيد توسط برج سفيد كننده

۸- بازيافت انرژي گازهاي توليدي از فرآيند

۹- بازيافت كاتاليست

فصل سوم:

شبیه سازی فرآیند تولید اسید نیتریک 

فرآيند توليد اسيد نيتريك در يك نگاه

اگر بخواهيم فرآيند توليد اسيد نيتريك را در يك صفحه خلاصه نمائيم، شکل نمودار مناسبي است:

      هوا              آمونياک مايع                                آب

   تغيير دما و             تبخير و گرمايش

                                            فيلتر کردن 

فشرده کردن         سوختن آمونياک

سرمايش              سرمايش

                           فشرده کردن

                           سرمايش

                              جذب و شکل گيري اسيد

                          خالص سازي اسيد

                           سرمايش

                            اسيد نيتريک ۵۸%

                                                               به عنوان محصول

شرح فرآيند توليد اسيد نيتريك

توليد اسيد نيتريك براساس فرآيند موجود را مي‌توان به ۳ مرحله (از نظر فشاري) تقسيم كرد:

مرحله اول: اكسيداسيون آمونياك در فشار پايين (۱ تا ۵ کيلوگرم بر سانتي متر مربع)

مرحله دوم: جذب گاز دي اکسيد نيتروژن در فشار بالا ۵ تا ۱۳ کيلوگرم بر سانتي متر مربع)

مرحله سوم: سفيد كردن يا بي‌رنگ كردن اسيد در فشار پايين (۱ تا ۵ کيلوگرم بر سانتي متر مربع)

يك تقسيم‌بندي مراحل توليد اسيد نيتريك نيز وجود دارد كه براساس واكنش هاي شيميايي  سري و زنجيره‌اي است كه عبارتست از:

مرحله اول: اكسيداسيون آمونياك و توليد مونوکسيد نيتروژن

واكنش اين مرحله براي توليد مونوکسيد نيتروژن به صورت زير است:

مرحله دوم: اكسيداسيون گاز مونوکسيد نيتروژن و توليد دي اکسيد نيتروژن

واكنش اين مرحله به صورت زير است:

مرحله سوم: جذب دي اکسيد نيتروژن در آب و توليد اسيد نيتريك

در اين مرحله واكنش نهايي صورت مي‌گيرد و اسيد توليد مي‌شود:  

با توجه به تقسيم‌بندي هايي كه ذكر شد، در واحد اسيد نيتريك دو دستگاه اصلي وجود دارد كه عبارتند از:

الف- راکتور                                                  ب- برج جذب

مرحله اول كه همان اكسيداسيون آمونياك و توليد گاز مونوکسيد نيتروژن مي‌باشد، در راکتور انجام مي‌‌شود. خلاصه روش كار به اين صورت است كه مخلوط هوا و آمونياك وارد راکتور می شوند و در مجاورت توري هاي پلاتين (به عنوان كاتاليست) اكسيداسيون جزئي آمونياك انجام مي‌گيرد، مكانيسم عمل روي كاتاليست به صورت زير است:

الف- جذب اكسيژن به وسيلة كاتاليست.

ب- واكنش كاتاليست و تشكيل هيدرات نيتروژن روي سطح كاتاليست.

ج- واكنش اكسيژن با راديكال هيدرات نيتروژن براي توليد مونوکسيد نيتروژن و آب.

(۱)                    

واكنش (۱) در واقع واكنش كلي اكسيداسيون آمونياك است. گاز مونوکسيد نيتروژن از واكنش (۱) در درجه حرارت °C۸۱۰ تا °C۹۰۰ توليد مي‌شود كه از لحاظ ترموديناميكي در اين درجه حرارت ناپايدار است.

انجام و پيشرفت اين واكنش نيازمند موارد زير است:

۱- تأمين فشار به وسيلة كمپرسور هوا.

۲- حضور آمونياك به صورت گاز به وسيلة تبخير كن و هيتر آمونياك.

۳- اختلاط كامل آمونياك و هوا (اكسيژن) به وسيلة ميكسر.

۴- حضور كاتاليست پلاتين به وسيله توري هاي ريزبافتي كه سطح تماس را زياد مي‌كنند.

۵- عدم حضور ناخالصي‌هاي مضر به وسيلة فيلتر کردن هوا و آمونياك.

۶- تنظيم نسبت بين هوا و آمونياك به وسيلة يك شير كنترل.

۷- دفع حرارت از محيط راکتور به وسيلة مبدل هاي بخارساز.

اما مرحلة سوم يعني جذب دي اکسيد نيتروژن در آب و توليد اسيد نيتريك در برج جذب انجام مي‌شود.

مرحلة جذب نسبت به مرحلة اكسيداسيون آمونياك در فشار بالاتري انجام مي‌‌شود.

خلاصه روش كار به اين صورت است كه برج جذب داراي سيني هاي سوراخ‌دار است؛ در حالي كه مايع از بالا و گازهای ازت از پايين در خلاف جهت يكديگر حركت مي‌كنند، جذب صورت مي‌گيرد.

اين واكنش، واكنش نهايي توليد اسيد نيتريك مي‌باشد.

انجام و پيشرفت اين واكنش نيز شرايط خاصي را طلب مي‌كند كه عبارتند از:

۱- تأمين فشار بالا به وسيلة كمپرسور گازي (كمپرسور مونوکسيد نيتروژن).  

۲- تأمين سطح تماس مناسب بين گاز و آب به وسيلة سيني‌هاي موجود در برج.

۳- كاهش دماي جريانات ورودي به برج توسط كولرهاي گاز و كولر آب.

۴- دفع حرارت يا سرد نگاه داشتن برج جذب به وسيلة كويل‌هاي آب كولينگ درون برج.

همان طور كه مشاهده مي‌شود، واكنش هاي اصلي در اين دو سيستم صورت مي‌گيرد و تمامي تجهيزات ديگر مانند كمپرسور، كولر، پمپ، درام، فيلتر و توربين جهت مهيا كردن شرايط واكنش در اين فرآيند استفاده مي‌شوند.

با اين پيش زمينه، فرآيند توليد اسيد نيتريك در واحد اسيد نيتريك منطقه (۲) به صورت زير است:

آمونياك ورودي به واحد در ابتدا به صورت مايع مي‌باشد كه شرايط آن به اين صورت است كه فشار آن تقريباً 85/18 کیلوگرم بر سانتي متر مربع ( مطلق ) و دماي آن °C۱۰ مي‌‌باشد. آمونياك مايع از واحد آمونياك كه در منطقة (۲) مي‌‌باشد و به عنوان واحد مادر شناخته شده است، تأمين مي‌شود.

آمونياك مورد نياز براي واكنش اكسيداسيون بايد به شكل گاز باشد. بنابراين ابتدا آن را وارد مبدل حرارتي E 3103 (Ammonia Evaporator) مي‌كنيم. اين مبدل به صورت پوسته و لوله مي‌باشد. داخل لوله آب °C۳۰ جريان دارد و داخل پوسته آمونياك قرار دارد. آب داخل لوله را اصطلاحاً C.W.L (Cooling Water Loop) مي‌ناميم. آمونياك ضمن كسب حرارت لازم از آب C.W.L جاري در لوله تا °C۱۵ گرم مي‌شود و به صورت بخار در مي‌آيد.

همچنين آمونياك مايع ممكن است حاوي مقداري آب و روغن باشد كه بايد از سيستم خارج شود. براي اين منظور مبدل E 3105 (Ammonia Auxiliary Vaporizer) تعبيه شده است. اين مبدل نيز به صورت پوسته و لوله مي‌باشد كه داخل پوسته آب و روغن و آمونياك مي‌باشد و در لوله بخار با فشار ۱۴ کيلوگرم بر سانتي متر مربع جريان دارد. مواد داخل پوسته با بخار داخل لوله تبادل حرارت می كنند و ضمن تبخير آمونياك همراه آب و روغن، مقدار آب و روغن به تدريج افزايش مي‌‌يابد كه در نهايت Drain مي‌شود.

آمونياك تبخير شده در اين مبدل در نهايت به درون مبدل E 3103 باز مي‌گردد. فشار مبدلE 3105 كمي بيشتر از فشار مبدل E 3103 مي‌شود كه اين مقدار فشار باعث انتقال گاز آمونياك از مبدل E 3105 به مبدل E 3103  مي‌شود، اما براي انتقال مايع آمونياك از مبدل E 3103  (فشار كم) به مبدل E 3105  (فشار بيشتر) سطح مبدل كمكي را (مبدل E 3105 ) پايين‌تر از مبدل تبخيركن اصلي (مبدل E 3103 ) قرار مي‌دهند.

آمونياك گازي با شرايط فشاری معادل با 8/۵ کيلوگرم بر سانتي متر مربع و دمای °C۱۵ مبدلE 3103 را ترك می كند و به درون پوستة مبدل Ammonia Superheater) ) E3104 راه می یابد.

در اين مبدل آمونياک با بخار ۱۴ کيلوگرم بر سانتي متر مربع كه درون لوله جريان دارد تبادل حرارت انجام مي‌دهد. آمونياك خروجي از مبدل E 3104 ضمن اين كه به حالت فوق اشباع[16] مي‌رسد (حدود °C۱0۰) و فشار آن نيز به صورت جزئي افزايش مي‌يابد و برابر با ۹/۵ کيلوگرم بر سانتي متر مربع می گردد.

اين آمونياك از نظر فشاري و دمايي شرايط مناسبي را جهت ورود به راکتور دارد، اما يك شير كنترل فشاري، فشار خط آمونياك را ثابت نگه مي‌دارد و پس از آن يك شير كنترل جريان، مقدار جريان جرمي آمونياك با توجه به ميزان جرم هواي ورودي به راکتور را (جهت ثابت نگه داشتن نسبت) كنترل مي‌كند.

پس از اين دو شير كنترل، يك درام و يك فيلتر تعبيه شده است تا احياناً از ورود آمونياك مايع و اكسيدهاي آهن و فلزات به درون راکتور جلوگيري شود (فيلتر F 3102 و درام D 3102).

خلوص آمونياك در اين شرايط به بالاترين حد خود مي‌‌‌رسد و وارد ميكسر MA 3101 مي‌شود و در آن با هوا كاملاً مخلوط مي‌گردد. دبي‌آمونياك (که مقدار بسيار کمی آب همراه خود دارد) در ظرفيت ۱۰۰% معادل ۷۰۵۷ کيلوگرم در ساعت مي‌باشد.

چند نكته درمورد مبدل E 3103

اين مبدل از نوع کِتِل تايپ[17] مي‌باشد و آمونياك مايع از دو محل و از پايين وارد آن مي‌شود. شكل ظاهري پوستة آن دو برآمدگي به طرف بيرون دارد  كه  يكي در بالاست و ديگري در پايين مبدل. برآمدگي بالا براي تفكيك كامل گاز آمونياك از مايع تعبيه شده است و برآمدگي پايين پوسته، محل مناسبي براي تجمع ناخالصي‌هاي آمونياك (مانند آب و روغن) مي‌باشد كه به درون مبدل كمكي E 3105 هدايت مي‌شود.

تيوپ‌هاي مبدل پنج ‌پاس[18] دارد كه آب C.W.L از بالا وارد تيوپ‌هاي فوقاني آن می شود و پس از عبور از پاس ها، از طريق رديف تحتاني خارج مي‌‌شود.

چون اين آب كار تبخير آمونياك را بر عهده دارد، به نحوي شرايط فشاري مبدل را متأثر خواهد كرد. بنابراين روي مسير آب ورودي به اين مبدل يك شير كنترل نصب شده به نام PV 31003/A  كه كار آن  تنظيم و كنترل فشار تبخيركن است. آب C.W.L مورد استفاده در اين مبدل قبل از شير کنترل فوق دو شاخه می شود که يک شاخه به شير کنترل مذکور و ديگری به شير کنترل PV 31003/B وارد می گردد که آب عبوری از شير کنترل PV 31003/B با آب خروجی از E 3103 به هم می پيوندند و جهت خنک کاری به برج جذب می روند. اين دو شير کنترل برعکس يکديگر عمل می کنند؛ به نحوی که اگر PV31003/A به ميزان %70 باز باشد، PV 31003/B به ميزان %30 باز خواهد بود. به اين علت از دو شير کنترل استفاده می شود که طراحی مبدل موجود در برج جذب بر اساس %100 آب C.W.L انجام گرفته است که همين موضوع استفاده از دو شير کنترل را الزام می کند.

اصولاً كاركردن با مبدل E 3103 ، بسيار حساس و ظريف است؛ حساسيت و ظرافت كاركردن با  اين مبدل در راه‌اندازي و از كار انداختن واحد مشخص مي‌شود.

به طوركلي عوامل مؤثر بر فشار اين مبدل عبارتند از:

۱- سطح آمونياك مايع.

۲- درجه حرارت آب C.W.L.

۳- ميزان جريان آب C.W.L.

۴- مقدار آب و روغن همراه آمونياك.

۵- ظرفيت واحد.

۶- در سرويس بودن يا نبودن مبدل كمكي E 3105 .

۷- فشار آمونياك ورودي به واحد.

۸- وجود هوا در C.W.L و عدم هواگيري آن.

۹- كثيف بودن پوسته و لوله مبدل.

۱۰- كارآيي و دقت PV 31003/A و LV 31003 .

اما در رابطه با تبخيركن كمكي E 3105 ذكر اين نكته ضروري است كه استفاده از آن به دو طريق پيوسته و ناپيوسته امكان‌پذير است، كه شرح عمليات هر كدام از آنها خود نيازمند مقاله‌اي ديگر است.

در مورد آب C.W.L نيز يادآوري اين نكته ضروري است كه اين آب به دلايلي كه بعداً روشن خواهد شد در اين واحد جريان مي‌‌يابد. يك شاخه از اين آب به صورت سريال چندين مبدل را طي مي‌كند كه در يكي خنك كننده و در ديگري گرم كننده است. در مبدل E 3103 اين آب گرم کننده است و ضمن تبخير آمونياك، سرد مي‌‌شود و بعد از اين سردشدن وارد مبدل E 3114 می شود و نقش سردكنندگي را به عهده دارد، سپس وارد مبدل هاي E 3112  و E 3111 مي‌شود. به همين دليل شير كنترل ورودي آب C.W.L به مبدل تبخيركن اصلي يعنی PV 31003/A اگر جهت كنترل فشار مبدل، مقدار آب را تغيير دهد، مبدل هاي بعدي كه قرار است آب C.W.L به آنها سرويس دهد، دچار مشكل خواهند شد. بنابراين براي رفع اين معضل همان طور که گفته شد، جريان آب ورودي به اين مبدل به دو شاخه تقسيم شده كه يكي ضمن عبور از PV 31003/A وارد مبدل می شود و ديگري ضمن عبور از شير كنترل PV 31003/B مبدل را باي پاس مي‌كند و به اين ترتيب تغييرات ميزان آب ورودي به مبدلE-3103 بر روي مبدلهاي سريال بعدي تأثير نامطلوبي نخواهد گذاشت.

هواي موردنياز فرآيند

توليد گاز مونوکسيد نيتروژن از آمونياك درون راکتور انجام مي‌‌شود كه يك واكنش اكسيداسيون ويژه است كه نياز به اكسيژن دارد. اكسيژن لازم از هواي اتمسفر تأمين مي‌شود. براي اين منظور يك كمپرسور هوا در نظر گرفته شده است. مكش كمپرسور C 3101 هوا را به درون يك اتاقك هدايت مي‌كند. در اين اتاق ابتدا دماي هوا را روي °C۴۰ تثبيت مي‌كنند و سپس توسط دو مجموعه فيلتر، پاكسازي ميشود و گرد و غبار آن گرفته مي‌‌شود. جهت تثبيت دماي هوا از مبدل E 3119 استفاده مي‌‌شود. گرم كردن هوا بسيار اهميت دارد. هواي اتمسفر حاوي بخار آب است و پايين بودن درجه حرارت آن احتمال تشكيل قطرات آب از بخارات موجود در جو را ضمن فشرده شدن زياد مي‌كند كه اين قطرات آب توانايي تخريب پره‌هاي كمپرسور چرخشي را خواهد داشت. پس با گرم كردن هوا مي‌توانيم از تشكيل اين قطرات جلوگيري كنيم.

از طرفي بالابودن درجه حرارت هوا، با توجه به مكش ثابت كمپرسور، ميزان دبي جرمي هوا را كم مي‌كند، چون چگالي آن كاهش مي‌‌يابد و اين معضل ايجاد مي‌‌شود كه كمپرسور را به شرايط سرج نزديك خواهد كرد كه بسيار خطرناك است. حضور مبدل E 3119 در ورودي هوا به كمپرسور، درجه حرارت را روي °C۴۰ ثابت نگه مي‌دارد.  

دبي جرمي هواي ورودي به كمپرسور در %100 ظرفيت واحد ۱۳۲۷۷۱ کيلوگرم در هر ساعت است كه طي دو مرحله تحت فشار قرار مي‌گيرد و در بين دو مرحله جهت افزايش راندمان كمپرسور يك خنك كن ميانی E 3121 دماي هوا را با استفاده از آب C.W از °C۱۵۰ تا °C۱۱۵ خنك مي‌كند. فشار هوا در اين مرحله حدود 7/2 کيلوگرم بر سانتيمتر مربع است که به مرحلة دوم هدايت می شود و در نهايت هوا با فشار5/5 کيلوگرم بر سانتي متر مربع و دماي °C۲۳۰ از مرحله دوم كمپرسور خارج مي‌شود.

اين هوا علاوه بر تأمين هواي اكسيداسيون آمونياك، جهت قسمت هاي ديگر واحد نيز به كار برده مي‌شود. مصارف اين هوا عبارتند از:

۱- مسيراصلي كه قسمت اعظم هوا كه حدود ۸۰%  هوای کل است و به طرف ميكسر در راکتور هدايت مي‌شود.

۲- مسير دوم كه حدود ۱۷% هوای کل است و به طرف برج سفيد كننده مي‌رود.

۳- مسير آب‌ بندي كه كارش آب‌بندي كمپرسور مونوکسيد نيتروژن، توربين گازي، كمپرسور هوا و سر و بدنة راکتور مي‌باشد.

۴- مسير خنك‌كن جهت خنك كردن ترموكوپل‌هاي نصب شده روي راکتور.

۵- مسير Silencer كه در زمان خارج شدن واحد از سرويس، كل هوا را جهت جلوگيری از آسيب رسيدن به تجهيزات به طرف اتمسفر رها مي‌كند.

واکنش هوا و بخار آمونياک

شاخه اصلي هواي خروجي از كمپرسور هوا، به عنوان هواي فرآيندي جهت اندازه‌گيري دبي از يك ونچوري عبور داده مي‌شود و سپس وارد ميكسر مي‌شود. اين ونچوري دبي هوا را اندازه‌گيري می كند و با توجه به مقدار نسبت هوا به آمونياک، فرماني به شير كنترل دبي آمونياك ارسال مي‌شود تا اين شير كنترل مقدار آمونياك را تنظيم كند.

نسبت جرمي آمونياك به هواي فيلتر شده (هواي خشك) در شرايط نرمال ۱ به ۱۰ مي‌باشد.

آمونياك از وسط و هوا از پايين وارد ميكسرMA 3101 مي‌شود. شكل ظاهري ميكسر مانند يك مخروط ناقص وارونه است، كه چندين رديف پره با زواياي مختلف در آن تعبيه شده است تا به هوا يك حالت چرخش بدهد تا بتواند آمونياك ورودي را كاملاً در خود مخلوط نمايد و مخلوط به صورت همگن باشد.

مخلوط همگن هوا و آمونياك داراي شرايط فشار 38/5 کيلوگرم بر سانتي متر مربع و دماي °C۲۱۴ مي‌‌باشد كه بلافاصله به درون راکتور هدايت مي‌شود. در محل ورودي گاز (مخلوط آمونياك و هواي خشك) به راکتور يك منبسط کننده[19] داريم كه سرعت مخلوط را به شدت كاهش مي‌دهد.

      علت تنظيم سرعت گاز در راکتور دو مورد مي‌باشد كه عبارتند از:

الف- تلاطم لازم جهت نفوذ كامل گاز در كاتاليست وجود داشته باشد.  

ب- زمان برخورد كافي براي توليد مونوکسيد نيتروژن وجود داشته باشد.

اگر سرعت گاز ورودي به راکتور كم باشد، زمان كافي براي انجام واكنش وجود خواهد داشت. اما در صورت كم بودن سرعت گاز در هنگام ورود به راکتور، يك مشكل به وجود مي‌آيد كه زمان اقامت گاز در راکتور زياد می شود و باعث تجزية آمونياك به نيتروژن و هيدروژن مي‌شود كه با حضور اکسيژن موجود در هوا واكنش توليد آب صورت می گيرد و حرارت بسيار زيادي ايجاد می كند و مشكلات عديده‌اي را به دنبال دارد.

برعكس اگر سرعت گاز زياد باشد، تلاطم لازم جهت نفوذ گاز در كاتاليست وجود دارد اما آمونياك واكنش نمی دهد و به هدر مي‌رود. ضمن اينكه به دليل سرعت بالا فرسايش پلاتين‌ها بيشتر می شود و راندمان كاهش مي‌يابد. بنابراين تنظيم سرعت گاز (واكنش‌گرها) در راکتور بسيار اهميت دارد.

در ساختمان راکتور، پس از منبسط کننده كه به صورت يك مخروط ناقص و وارونه است بلافاصله يك صفحه مشبك داريم كه توزيع کننده[20] ناميده مي‌شود و وظيفه آن توزيع يكنواخت جريان ورودي روي سطوح پلاتين‌ها مي‌باشد.

در زير توزيع كننده صفحات پلاتين قرار دارند. عبور گاز از سطح كاتاليست، واكنش انتخابي مورد نظر را كه همان توليد گاز مونوکسيد نيتروژن مي‌باشد به پيش خواهد برد و كنترل آن، از وقوع ديگر واكنش هاي جانبي و نامطلوب جلوگيري خواهد كرد. بنابراين براي اينكه سطح وسيعي از پلاتين را ايجاد كنيم تا واكنش به راحتي رخ دهد، آن را به صورت توري‌هايي با بافت ريز درآورده‌اند.

عناصر تشكيل دهنده اصلي توري ها پلاتين و روبيديوم مي‌باشد که پلاتين به ميزان ۹۰% جهت انجام واكنش انتخابي مورد نظر و به عنوان تنها عامل كاتاليزور مورد استفاده قرار مي‌گيرد و روبيديوم به ميزان ۱۰% جهت استحكام بخشيدن به بافت توري‌ها در برابر سايش مكانيكي و حرارت ناشي از واكنش شيميايي به كار برده مي‌شود. درجه خلوص در اين قسمت ۹۵/۹۹% مي‌‌باشد و حدوداً ppm ۵۰۰ ناخالصي دارد. اين ناخالصي‌ها از عناصر گوگرد، فسفر، آرسينك، سيليس، نيكل، مس، نقره، طلا و آهن تشكيل شده است.

سطح توري ها دايره‌اي است و كل سطح مقطع راکتور را در منطقة مورد استفاده مي‌پوشاند. جهت اين فرآيند هشت عدد توري مورد استفاده قرار مي‌گيرند كه روي هم قرار دارند.

كارايي توري‌ها براساس دستورالعمل سازنده بين ۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ ساعت است و در اثر وقوع واكنش شيميايي و در طول زمان اين توري ها مستهلك مي‌شوند. راندمان پلاتين جهت اكسيداسيون آمونياك     % ۵/۹۵ مي‌باشد و افت پلاتين توسط شركت سازنده حدود ۱۵۰ ميلي گرم به ازاي هر تن اسيد ۱۰۰% اعلام مي‌شود.

براي توري ها يك نگهدارنده[21] در نظر گرفته شده است كه به صورت شبكة فلزي (توري شكل) مي‌باشد. در زير اين نگهدارنده، آکنه ها[22] وجود دارد كه از جنس سراميك هستند و شكل آن ها به صورت راشينگ رينگ[23] مي‌باشد. توزيع اين آکنه ‌ها Random مي‌باشد و اين آکنه ها قسمتي از حجم راکتور را به به خود اختصاص داده‌اند.

وظيفة آکنه، يكنواخت كردن جريان گاز حاصل از واكنش درمجاورت كاتاليست است. همچنين باعث يکنواخت شدن گاز از نظر درجه حرارت مي‌شود. ضمن اين كه در زمان خارج شدن واحد از سرويس، با نگهداري حرارت درون خود از معيوب شدن[24] توري هاي پلاتين جلوگيري مي‌كند. نگهدارندة راشينگ رينگ ها يك صفحه مشبك فلزي است و در زير آن شبكة مارپيچي وجود دارد كه كويل‌هاي مبدل هاي  E 3106 و E 3107 را مي‌سازد و در اثر برخورد جريان گاز عبوري در اين دو مبدل بخار فوق اشباع با شرايط فشار ۴۲ کيلوگرم بر سانتيمتر مربع و دماي °C۴۴۰ مهيا مي‌شود و درجه حرارت گازها را از °C۸۸۰ تا °C۴۷۰ (از روي سطح پلاتين‌ها تا خروجي از راکتور) به شدت و به سرعت كاهش مي‌دهد.

در پایین راکتور يك حالت U شكل براي خروجي طراحي شده كه جهت خروج مايعات تشكيل شده يا احياناً آکنه هاي خرد شده مي‌باشد. شكل كلي راکتور در صفحة بعد نشان داده شده است.