अमोनिया उत्पत्ति

अमोनिया सबसे अधिक उत्पादित अकार्बनिक रसायनों में से एक है।दुनिया भर में कई बड़े पैमाने पर अमोनिया के पौधे हैं, जो 2016 में 144 मिलियन टन नाइट्रोजन (175 मिलियन टन अमोनिया के बराबर) का भव्य उत्पादन करते हैं। यह 2021 में बढ़कर 235 मिलियन टन अमोनिया हो गया है। चीन ने दुनिया भर में 31.9%उत्पादन किया, इसके बाद रूस ने 8.7%, भारत में 7.5%और संयुक्त राज्य अमेरिका में 7.1% का उत्पादन किया। उत्पादित अमोनिया का 80% या अधिक कृषि फसलों को उर्वरित करने के लिए किया जाता है।अमोनिया का उपयोग प्लास्टिक, फाइबर, विस्फोटक, नाइट्रिक एसिड (ओस्टवाल्ड प्रक्रिया के माध्यम से), और रंजक और फार्मास्यूटिकल्स के लिए मध्यवर्ती के उत्पादन के लिए भी किया जाता है।

इतिहास

सूखा आसवन

प्रथम विश्व युद्ध की शुरुआत से पहले, अधिकांश अमोनिया नाइट्रोजन की सब्जी और पशु उत्पादों के सूखे आसवन द्वारा प्राप्त किया गया था;हाइड्रोजन के साथ नाइट्रस तेजाब और नाइट्राट की कमी से;और क्षारीय हाइड्रॉक्साइड्स द्वारा अमोनियम लवणों के अपघटन द्वारा या क्विकलाइम द्वारा , आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला नमक क्लोराइड ( सैल-अमोनियाक ) होता है।

अमोनिया संश्लेषण प्रक्रिया का ब्लॉक प्रवाह आरेख

फ्रैंक -कारो प्रक्रिया

Main article: Frank-Caro process

एडोल्फ फ्रैंक और निकोडेम कारो ने पाया कि नाइट्रोजन को कैल्शियम-साइनामाइड बनाने के लिए एसिटिलीन बनाने के लिए उत्पादित एक ही कैल्शियम कार्बाइड का उपयोग करके तय किया जा सकता है, जिसे बाद में अमोनिया बनाने के लिए पानी से विभाजित किया जा सकता है। विधि 1895 और 1899 के बीच विकसित की गई थी।

${\ce {CaO + 3C <=> CaC2 + CO}}$

${\ce {CaC2 + N2 <=> CaCN2 + C}}$

${\ce {CaCN2 + 3H2O <=> CaCO3 + 2NH3}}$

बिर्कलैंड - आइड प्रक्रिया

Main article: Birkeland–Eyde process

जबकि सख्ती से अमोनिया के उत्पादन की एक विधि नहीं बोलते हैं, नाइट्रोजन को एक बिजली की चिंगारी (ऑक्सीजन के साथ) से पास करके तय किया जा सकता है।

नाइट्राइड्स

शुद्ध नाइट्रोजन के वातावरण में मैग्नीशियम जैसे धातुओं को गर्म करने से नाइट्राइड का उत्पादन करती है, जो पानी के साथ संयुक्त रूप से धातु हाइड्रॉक्साइड और अमोनिया का उत्पादन करती है।

आधुनिक अमोनिया उत्पादन

आज, अधिकांश अमोनिया को बड़े पैमाने पर हैबर प्रक्रिया द्वारा प्रति दिन 3,300 टन तक की क्षमता के साथ उत्पादित किया जाता है।इस प्रक्रिया में, N₂ और H₂ गैसों को 200 बार के दबाव पर प्रतिक्रिया करने की अनुमति है।अमोनिया को कोयले द्वारा भी संसाधित किया जाता है।1960 के दशक के मध्य में अमेरिकन ऑयल कंपनी ने एम डब्ल्यू केलॉग द्वारा निर्मित एकल-परिवर्तक अमोनिया संयंत्र स्थापित कियाटेक्सास सिटी, टेक्सास में 544 मिलियन टन/दिन की क्षमता के साथ। सिंगल-ट्रेन डिज़ाइन अवधारणा इतनी गहन थी कि इसे 1967 में "किर्कपैट्रिक केमिकल इंजीनियरिंग अचीवमेंट अवार्ड" मिला। संयंत्र ने 152 बार के दबाव में सिनगैस को संपीड़ित करने के लिए चार-केस केन्द्रापसारक कंप्रेसर का उपयोग किया, और एक ऑपरेटिंग दबाव के लिए अंतिम संपीड़न 324 बार पारस्परिक कंप्रेसर में हुआ। संश्लेषण लूप और प्रशीतन सेवाओं के लिए केन्द्रापसारक कंप्रेशर्स को भी लागू किया गया, जिसने महत्वपूर्ण लागत प्रदान की।

1964 और 1992 के बीच निर्मित लगभग हर पौधे में बड़े एकल-ट्रेन डिजाइन थे, जिसमें 25-35 बार में संश्लेषण गैस निर्माण और 150-200 बार में अमोनिया संश्लेषण था। ब्रौन (अब केबीआर) द्वारा एक और भिन्नता ने सादे डिजाइन के लिए मामूली स्वभाव की पेशकश की। ब्रौन शोधक प्रक्रिया संयंत्रों ने सुधारक के आकार और लागत को कम करने के लिए कम आउटलेट तापमान और उच्च मीथेन रिसाव के साथ एक प्राथमिक या ट्यूबलर सुधारक का उपयोग किया।प्राथमिक सुधारक निकास धारा की मीथेन सामग्री को 1-2%तक कम करने के लिए माध्यमिक सुधारक में अतिरिक्त हवा जोड़ी गई। अतिरिक्त नाइट्रोजन और अन्य अशुद्धियों को मीथेनेटर के नीचे की ओर मिटा दिया गया था। क्योंकि संश्लेषण गैस अनिवार्य रूप से अशुद्धियों से मुक्त थी, दो अक्षीय-प्रवाह अमोनिया कन्वर्टर्स का उपयोग उच्च अमोनिया रूपांतरण को प्राप्त करने के लिए किया गया था। 2000 की शुरुआत में उहडे ने एक नई प्रक्रिया विकसित की, जो 3300 और अधिक की पौधों की क्षमता को सक्षम करती है। उहडे की दोहरी दबाव प्रक्रिया का प्रमुख नवाचार एक पारंपरिक उच्च दबाव संश्लेषण लूप के साथ श्रृंखला में मध्यम दबाव में एक एकल-प्रवाह संश्लेषण लूप है।

आधुनिक अमोनिया-उत्पादक पौधे

एक विशिष्ट आधुनिक अमोनिया-उत्पादक संयंत्र पहले प्राकृतिक गैस , तरल पेट्रोलियम गैस , या पेट्रोलियम मिट्टी का तेल को गैसीय हाइड्रोजन में परिवर्तित करता है।हाइड्रोकार्बन से हाइड्रोजन के उत्पादन की विधि को भाप सुधार के रूप में जाना जाता है। हाइड्रोजन को तब नाइट्रोजन के साथ मिलाया जाता है ताकि हैबर-बॉश प्रक्रिया के माध्यम से अमोनिया का उत्पादन किया जा सके।

एक प्राकृतिक गैस के साथ शुरू (CH
₄) फीडस्टॉक, हाइड्रोजन के उत्पादन की प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले विभिन्न चरणों में निम्नलिखित हैं:

• प्रक्रिया में पहला कदम फीडस्टॉक से गंधक यौगिकों को हटाना है क्योंकि सल्फर बाद के चरणों में उपयोग किए जाने वाले उत्प्रेरक को निष्क्रिय कर देता है।सल्फर हटाने के लिए गैसीय हाइड्रोजन सल्फाइड में फीडस्टॉक्स में सल्फर यौगिकों को परिवर्तित करने के लिए उत्प्रेरक हाइड्रोजनीकरण की आवश्यकता होती है:

H₂ + RSH → RH + H₂S_(gas)

• गैसीय हाइड्रोजन सल्फाइड को तब अवशोषित किया जाता है और इसे जिंक ऑक्साइड के बेड के माध्यम से पास करके हटा दिया जाता है जहां इसे ठोस जिंक सल्फाइड में परिवर्तित किया जाता है:

प्राकृतिक गैस के स्टीम सुधार के इनपुट और आउटपुट को चित्रित करना, हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए एक प्रक्रिया

H₂S + ZnO → ZnS + H₂O

• सल्फर-मुक्त फीडस्टॉक के उत्प्रेरक भाप सुधार का उपयोग तब हाइड्रोजन प्लस कार्बन मोनोआक्साइड बनाने के लिए किया जाता है:

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

• अगले चरण में कार्बन मोनोऑक्साइड को कार्बन डाइआक्साइड और अधिक हाइड्रोजन में परिवर्तित करने के लिए कैटेलिटिक जल गैस शिफ्ट प्रतिक्रिया का उपयोग करता है:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

• कार्बन डाइऑक्साइड को या तो जलीय इथेनोलमाइन समाधानों में अवशोषण द्वारा या दबाव डालकर पोछते हुए सोखना (PSA) में सोखना द्वारा प्रामाणिक ठोस सोखना मीडिया का उपयोग करके हटा दिया जाता है।
• हाइड्रोजन के उत्पादन में अंतिम चरण हाइड्रोजन से कार्बन मोनोऑक्साइड या कार्बन डाइऑक्साइड की किसी भी छोटी अवशिष्ट मात्रा को हटाने के लिए उत्प्रेरक मेथान का उपयोग करना है:

CO + 3 H₂ → CH₄ + H₂O

CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O

वांछित अंत-उत्पाद अमोनिया का उत्पादन करने के लिए, हाइड्रोजन को तब उत्प्रेरक रूप से नाइट्रोजन (प्रक्रिया वायु से व्युत्पन्न) के साथ प्रतिक्रिया व्यक्त की जाती है ताकि निर्जल तरल अमोनिया का निर्माण किया जा सके। इस कदम को अमोनिया संश्लेषण पाश के रूप में जाना जाता है (जिसे हेबर-बॉश प्रक्रिया के रूप में भी जाना जाता है):

3 H₂ + N₂ → 2 NH₃

अमोनिया संश्लेषण प्रतिक्रिया में उपयोग किए जाने वाले (आमतौर पर बहु-प्रचारित मैग्नेटाइट ) उत्प्रेरक की प्रकृति के कारण, ऑक्सीजन युक्त केवल बहुत कम स्तर (विशेष रूप से CO, CO₂ और H₂O) यौगिकों को संश्लेषण (हाइड्रोजन और नाइट्रोजन मिश्रण) गैस में सहन किया जा सकता है। अपेक्षाकृत शुद्ध नाइट्रोजन वायु पृथक्करण द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन अतिरिक्त ऑक्सीजन हटाने की आवश्यकता हो सकती है।

अपेक्षाकृत कम एकल पास रूपांतरण दर (आमतौर पर 20%से कम) के कारण, एक बड़ी रीसायकल स्ट्रीम की आवश्यकता होती है। यह लूप गैस में निष्क्रियता के संचय को जन्म दे सकता है।

दबाव अंतर

स्टीम रिफॉर्मिंग, शिफ्ट रूपांतरण, कार्बन डाइऑक्साइड हटाने , और मेथानेशन प्रत्येक लगभग 25 से 35 बार के पूर्ण दबावों पर संचालित होता है, और अमोनिया सिंथेसिस लूप 60 से 180 बार तक के पूर्ण दबावों पर संचालित होता है, जो विशेष विधि के आधार पर होता है।

स्थायी अमोनिया उत्पादन

मीथेन पाइरोलिसिस के इनपुट और आउटपुट को चित्रित करना, हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए एक प्रक्रिया।

Further information: Haber process § Economic and environmental aspects

अमोनिया उत्पादन ऊर्जा की भरपूर मात्रा में आपूर्ति पर निर्भर करता है, मुख्य रूप से प्राकृतिक गैस।गहन कृषि और अन्य प्रक्रियाओं में अमोनिया की महत्वपूर्ण भूमिका के कारण, स्थायी उत्पादन वांछनीय है। यह गैर-प्रदूषण वाले मीथेन पाइरोलिसिस का उपयोग करके या पानी के इलेक्ट्रोलिसिस (या भाप) द्वारा हाइड्रोजन उत्पन्न करने से संभव है, जो अक्षय ऊर्जा स्रोतों या परमाणु ऊर्जा से शून्य कार्बन बिजली का उपयोग करता है। हाल के वर्षों में थाइसेनक्रुप उहडे क्लोरीन इंजीनियरों ने क्षारीय जल इलेक्ट्रोलिसिस के लिए अपनी वार्षिक उत्पादन क्षमता का विस्तार किया है, जो इलेक्ट्रोलाइज़र क्षमता के 1 गीगावाट तक है।

हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए पानी के सरल इलेक्ट्रोलीज़ के इनपुट और आउटपुट को चित्रित करना।

यह ईंधन से फीडस्टॉक के उपयोग तक कुछ जल -प्रवर्तन अर्थव्यवस्था उत्पादन को मोड़कर हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था में सीधा होगा। उदाहरण के लिए, 2002 में, आइसलैंड ने इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा 2,000 टन हाइड्रोजन गैस का उत्पादन किया, मुख्य रूप से उर्वरक के लिए अमोनिया के उत्पादन के लिए अपने पनबिजली संयंत्रों से अतिरिक्त बिजली उत्पादन का उपयोग किया। नॉर्वे में वेमर्क जलविद्युत संयंत्र ने 1911 से 1971 तक नवीकरणीय नाइट्रिक एसिड उत्पन्न करने के लिए अपने अधिशेष बिजली उत्पादन का उपयोग किया, नाइट्रिक एसिड के 15 मेगावाट/टन की आवश्यकता होती है।उसी प्रतिक्रिया को बिजली के द्वारा की जाती है, जो वायुमंडलीय नाइट्रोजन को घुलनशील नाइट्रेट्स में परिवर्तित करने के लिए एक प्राकृतिक स्रोत प्रदान करती है। व्यवहार में, प्राकृतिक गैस अमोनिया उत्पादन के लिए हाइड्रोजन का प्रमुख स्रोत बनी रहेगी, जब तक कि यह सबसे सस्ता है ।

अमोनिया में सीवेज उपचार अक्सर अधिक होता है। क्योंकि अमोनिया को वातावरण में लादने वाले पानी का निर्वहन करना, यहां तक कि अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों में भी, समस्या पैदा कर सकता है, एक साथ नाइट्रिफिकेशन-डीनेट्रिफिकेशन अक्सर अमोनिया को हटाने के लिए आवश्यक होता है। यह भविष्य में अमोनिया का एक संभावित टिकाऊ स्रोत हो सकता है क्योंकि इसकी बहुतायत और प्रतिध्वनि की आवश्यकता है। वैकल्पिक रूप से, अपशिष्ट जल से अमोनिया को हाइड्रोजन और स्वच्छ उपचारित पानी का उत्पादन करने के लिए अक्षय ऊर्जा स्रोतों (सौर पीवी और पवन टरबाइन) के साथ काम करने वाले एक अमोनिया इलेक्ट्रोलाइज़र (अमोनिया इलेक्ट्रोलिसिस) में भेजा जाता है। अमोनिया इलेक्ट्रोलिसिस को पानी के इलेक्ट्रोलिसिस (क्षारीय मीडिया में केवल 0.06 वि) की तुलना में बहुत कम थर्मोडायनामिक ऊर्जा की आवश्यकता हो सकती है।

अमोनिया को अपशिष्ट जल से पुनर्प्राप्त करने के लिए एक अन्य विकल्प अमोनिया-पानी के थर्मल अवशोषण चक्र के यांत्रिकी का उपयोग करना है। इस विकल्प का उपयोग करते हुए, अमोनिया को या तो तरल के रूप में या अमोनियम हाइड्रॉक्साइड के रूप में पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। पूर्व का लाभ यह है कि इसे संभालना और परिवहन करना बहुत आसान है, जबकि बाद में एक वाणिज्यिक मूल्य भी है जब समाधान में 30 प्रतिशत अमोनियम हाइड्रॉक्साइड की एकाग्रता का उत्पादन किया जाता है।

कोयला से बना अमोनिया

कोयला से अमोनिया बनाने की प्रक्रिया

कोयले से बना अमोनिया मुख्य रूप से चीन द्वारा प्रचलित एक प्रक्रिया है। चीन ने 2014 में वैश्विक उत्पादन का लगभग 32.6% उत्पादन किया, जबकि रूस, भारत और अमेरिका ने 8.1%, 7.6%और 6.4%का उत्पादन किया। उनका अधिकांश अमोनिया कोयले से आया था। कोयला-आधारित अमोनिया संयंत्र में बुनियादी प्रसंस्करण में पृथक्करण के लिए एक वायु पृथक्करण मॉड्यूल होता है O₂ तथा N₂ हवा से, गैसीफायर, खट्टा गैस शिफ्ट मॉड्यूल, एसिड गैस हटाने मॉड्यूल और अमोनिया संश्लेषण मॉड्यूल। वायु पृथक्करण मॉड्यूल से ऑक्सीजन को कोयले को संश्लेषण गैस में बदलने के लिए गैसीफायर को खिलाया जाता है (H₂, CO, CO₂) तथा CH4। कई गैसीफायर डिजाइन हैं, लेकिन अधिकांश गैसीफायर द्रवित बेड पर आधारित होते हैं जो वायुमंडलीय दबाव से ऊपर संचालित होते हैं और विभिन्न कोयला फीड का उपयोग करने की क्षमता रखते हैं।

छोटे पैमाने पर ऑनसाइट पौधे

अप्रैल 2017 में, अमोनिया संश्लेषण की एक विधि को लागू करने के लिए एक कंपनी जो जापान में इलेक्ट्रोकेमिकल उत्प्रेरक का उपयोग करने के साथ सामान्य पौधों की तुलना में नीचे के परिमाण के तराजू के 1-2 आदेशों पर आर्थिक उत्पादन की अनुमति दे सकती है। कंपनी, Tsubame BHB ने संश्लेषण प्रक्रिया को एक मॉड्यूल में लागू किया है, और अमोनिया उपयोगकर्ताओं के करीब वितरित स्थानों में अपनाए जाने का लक्ष्य रखा है।

शटडाउन के कारण बायप्रोडक्ट्स और कमी

अमोनिया उत्पादन के मुख्य औद्योगिक उपोत्पादों में से एक CO₂ है | 2018 में, उच्च तेल की कीमतों के परिणामस्वरूप यूरोपीय अमोनिया कारखानों के एक विस्तारित गर्मियों में बंद हो गया, जो एक वाणिज्यिक CO₂ का कारण बनता है, इस प्रकार बीयर और फ़िज़ी सॉफ्ट ड्रिंक्स जैसे कार्बोनेटेड पेय के उत्पादन को सीमित हो गया। यह स्थिति सितंबर 2021 में वर्ष के दौरान प्राकृतिक गैस के थोक मूल्य में 250-400% की वृद्धि के कारण दोहराई गई।

यह भी देखें

• अमोनिया
• अमीन गैस का इलाज
• हैबर प्रक्रिया
• हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था
• मीथेन पाइरोलिसिस

बाहरी संबंध

• Today's Hydrogen Production Industry
• Energy Use and Energy Intensity of the U.S. Chemical Industry, Report LBNL-44314, Lawrence Berkeley National Laboratory (Scroll down to page 39 of 40 PDF pages for a list of the ammonia plants in the United States)
• Ammonia: The Next Step includes a detailed process flow diagram.
• Ammonia production process plant flow sheet in brief with three controls.