مراحل عملیاتی تولید کربنات سدیم از روی رفرنس Weifang""
استاد مشاور:
مهندس دوست محمدی (کربنات سمنان)
1-
واحد آهک: سنگ
آهک درون Lime kiln (کوره آهک) سرازیر شده و پس
از پخت، گاز CO2 و آهک زنده (CaO)
از آن خارج میگردد.
2-
غبارگیری CO2:
گاز CO2 خروجی از کوره وارد سیکلونهای غبارگیر (Dust
Cyclones) شده، غبارگیری میشود و گرد و غبار آن وارد
اب شده بصورت گِل از قسمت تحتانی سیکلون تخلیه میگردد. سپس گاز CO2
پس از غبارگیری وارد برج شستشوی با تجهیز "سینی غربال" (Tray)
میگردد. بار دیگر در آنجا خالص سازی شده و پس از شستشو با آب، وارد مرحله بعد یعنی
برجهای الکترواستاتیک (Electrostatic Towers) میشود. در آنجا گاز درون
یک میدان مغناطیسی وارد میشود و یونهایی مثل Ca+
و Mg+ و غیره از آن جداسازی میشود. (کلیه یونهای
کاتیون و آنیون موجود در گاز CO2 از آن جدا میگردد. (در
پلان سمنان بجای برج الکترواستاتیک، برج پکینگ دار به نام Coke
Packing وجود دارد که بجای Tray
دارای Packing می باشد) و در نهایت گاز CO2
عاری از ذرات معلق جامد و مایع به بخش "کمپرسورها" وارد میشود.
3-
اسلکر (Slaker):
CaO یا آهک زنده تولید شده در کوره آهک، وارد
هاپر ذخیره شده و سپس از طریق فیدر وارد تجهیز Slaker
میشود. (برای دویست هزار تن دو عدد هاپر ذخیره آهک زنده و دو عدد اسلکر در زیر آن
با مشخصات ارائه شده توسط طراح درنظر گرفته شده است). CaO در اسلکر
با آب واکنش داده و تولید شیره آهک (Ca(OH)2)
می نماید: (CaO+H2OàCa(OH)2).
شیره آهک تولید شده از اسلکر خارج و وارد مخازن دوقلو میگردد که یک مخزن معمولا فعال
و دیگری در حالت Standby است. از آنجا بوسیله پمپ
به واحدهای مصرف کننده ارسال میگردد. لازم بذکر است که بین مخازن شیره آهک و اسلکر
یک تجهیز گردنده به نام (Rotary Sieve) یا "غربال
گردان" وجود دارد که کار تصفیه نهایی شیره آهک را انجام میدهد و دست آخر
پسماند سنگ آهک (Waste Stone) دورریز میگردد.
4-
واحد آب
نمک: در واحد "آب نمک" (Brine Section) ابتدا نمک خُردآیش شده
وارد مخزن Salt Dissolver"" (انحلال دهنده نمک) میشود که در آن ارزانترین
و نامرغوب ترین نوع آب وجود دارد. پس از انحلال نمک در آب به یک "Reactor"
وارد شده به آن "محلول کاستیک" (شیره آهک + محلول سرد یا محلول کربنات
سدیم Na2CO3) اضافه میگردد. پس از اختلاط "محلول
کاستیک" با آب نمک خام در رآکتور، واکنش حذف یونهای کلسیم، منیزیم و سولفات
انجام میپذیرد. (برای حذف سولفات احتیاج به محلول "کلرید باریم" داریم).
و محصول که محلول "Mixing Brine" میباشد، وارد
"شفاف ساز" یا "Clarifier" میگردد. قبل از ورود به
"شفاف ساز" به آن "محلول پُلی آکریل آمید (PAM)
و یا محلول "لخته ساز" فلوکولانت (FeCL3 + Al2(SO4)3
+ Fe(SO4)3) اضافه میگردد تا ذرات جامد معلق در آب نمک
به هم چسبیده، لخته (Flocculation) و سنگین شده تا منجر به
کاهش مدت زمان شفاف سازی در Clarifier گردد. در "شفاف
ساز" ما دو خروجی داریم: از بالای آن "آب نمک خالص" (Purified
Brine) وارد مخزن ذخیره آب نمک میشود و به واحد
مصرف کننده پمپ میشود و از قسمت پایین، "ته نشست" آن که حاوی آب، نمک و
رسوبات نمکی است خارج شده؛ و به مخزن "Salt Mud
Tank" وارد میشود و پس از "همگن
سازی" بوسیله پمپ به درون تجهیزی به نام "Door Washer"
ریخته، طی سه مرحله با آب شسته شده و حداکثر آب نمک موجود در این محلول از آن
جداسازی و در نهایت از قسمت فوقانی آن "آب نمک رقیق" به صورت سرریز
دوباره وارد چرخه تولید به تجهیز "Salt Dissolver"
فرستاده شده و از قسمت تحتانی "Door Washer" نیز دور ریز یا
"Waste" آن به لاگونهای پساب کارخانه ارسال
میگردد.
5-
برج شستشو (Scrubber
Tower): آب نمک خالص (Purified
Brine) توسط پمپ از "شفاف ساز" یا
"کلاریفایر" به بالای "برج شستشو" وارد میگردد. همزمان گاز
آمونیاک ضعیف نیز از واحد کربناسیون تزریق میگردد و در نهایت از انتهای برج شستشو،
آب نمک آمونیاکی ضعیف (Weak Ammonia Brine) به "برج جذب
آمونیاک" (Ammonia Absorber) ارسال میگردد.
6-
برج جذب
آمونیاک (Ammonia Absorber): در این واحد، آمونیاک مایع از "مخزن
آمونیاک" وارد انتهای "برج جذب آمونیاک" شده و گاز آمونیاک نیز از
برج تقطیر وارد شده و با آب نمک آمونیاکی ضعیف واکنش داده آنرا تبدیل به آب نمک
آمونیاکی "اشباع" Ammonia) Brine) یا BA می نماید. این آب نمک آمونیاکی وارد یک "شفاف ساز" (Clarifier)
شده و ذرات جامد معلق در آن ته نشین میشود و اصطلاحا کدری (Turbidity)
آن به حداقل رسیده و در نهایت از خروجی کلاریفایر با پمپ به "مبدل صفحه
ای" (Plate Exchanger) ارسال و پس از سرد شدن به واحد کربناسیون
ارسال میگردد.
7-
کمپرسورها:
گاز CO2 خالص شده پس از غبارگیری وارد کمپرسورها
میگردد. کمپرسور، فشار و دمای گاز را افزایش داده و آنرا به یک برج شستشو (Tower
Scrubber) یا یک "مبدل" (Exchanger)
بسته به نظر طراح، برای شستشوی گاز و کاهش
دمای و همچنین جداسازی ملکولهای آب از آن تزریق میگردد. (گاز CO2
از دو منبع کوره آهک (GK) و کلساینر (GC)
به کمپرسور می آید و پس از فشرده سازی و سرد شدن و آب گیری به واحد کربناسیون
ارسال میگردد). (توضیح بیشتر اینکه گاز CO2 حاصل از کوره آهک یا
همان GK از دو بخش وارد کمپرسورها میشود. بخش اعظم
آن که از کوره آهک تامین میشود که همان GK است و یک بخش کوچک هم از
برجهای تمیز شده ی واحد کربوناسیون (Cleaning Tower) که به آن "گاز
برجهای در حال تمیز شدن" (Cleaning Tower Gas)
یا (GCT) میگویند وارد کمپرسورها میگردند. در تناژ
استحصالی سالیانه 200 هزار تن کربنات سدیم، معمولا دو کمپرسور از GK
تغذیه میشوند و یک کمپرسور از GCT).
8-
واحد
کربوناسیون (Carbonation Section): برجهای کربوناتور (Carbonating
Towers) در هنگام فعالیت دو نوع عملگری دارند: یکی
عملگری "ساخت" که در این حالت به این برجها "Making
Towers" گوییم و یکی عملگری در هنگام تمیزکاری که در
این حالت به این برجها ""Cleaning towers میگوییم. گاز GCT از کمپرسور مستقیم به بخش تحتانی
" Cleaning tower" تزریق میشود و همزمان
"آب نمک آمونیاکی اشباع" (BA) برآمده از "برج
جذب" به بالای برج (ارتفاع 28 یا 29 متری) تزریق میشود. با اینکار "تمیز
کاری" یا "Cleaning" در برج کربوناسیون
انجام شده و محلول خروجی از ""Cleaning Tower که به آن "پرکربنات
مایع" (Liquid Percarbonates) یا (LCP)
می گویند به "برج شستشو" (Scrubber Tower) ریخته میشود که در این
برج، گاز خروجی از برجهای Making و Cleaning
که از بخش تحتانی وارد این برج میگردند را شستشو داده و گاز CO2
موجود در آن را جذب می نماید و اصطلاحا از گاز CO2
اشباع تر میگردد.
این
محلول LCP اشباع تر شده با گاز CO2،
توسط پمپ مربوطه به بالای "برج کربوناتور ساخت" یا Making
Tower"" وارد میگردد. در داخل Making
Tower که با سطح مشخصی از LCP
پُر شده است، گاز CO2 کوره (GK)
به بخش میانی برج و گاز CO2 خروجی حاصل از کلساینر یا "Calciner
Exit Gas" (GEC) به بخش زیرین برج وارد
شده، واکنش اصلی در این Making tower واقع میشود که همانا
تشکیل کریستالهای بیکربنات سدیم (جوش شیرین) می باشد. این کریستالهای تولید شده در
"برجهای کربوناتور سازنده" (Carbonator "making" towers)
در حین پایین رفتن از بخش تحتانی به همراه "مایع مادر" (Mother
Liquor) در Cooling Box های برج، سرد شده و باعث
میشود تا کریستالهای بیکربنات درشت تر گردد. و در نهایت ماگمای خروجی که حاوی
"مایع مادر" و کریستالهای درشت شده جوش شیرین است؛ به درون Belt
Filters یا Drum Filters منتقل شده، در آنجا
کریستالهای جوش شیرین از "مایع مادر" جدا می گردد.
(توضیح بیشتر: "مایع مادر" (Mother
Liquor) یعنی ترکیب این مواد:
)
مقدار جزئیNH4CL + NH4HCO3 + (NH4)2CO3 + NACL + H2O + (NH4OH
و
"مایع ضعیف" (Weak Liquor) یعنی ترکیب آمونیاک و
آب: NH3 + H2O)
9-
برجهای
تقطیر (Distillation Towers): پس از اینکه در درام فیلترها یا بلت
فیلترها "مایع مادر" از کریستالهای بیکربنات جدا شد، آن مایع به مخزن
مربوطه منتقل شده توسط پمپ به برجهای تقطیر ارسال میگردد. در این واحد
ابتدا یک تبادل حرارتی در "مبدل" (Exchanger)
یا "فشرده ساز" (Condenser) گاز آمونیاک خروجی، بر
روی مایع مادرخروجی از برجهای کربوناسیون انجام میپذیرد تا تبدیل به "مایع مادر گرم" شده و سپس
از بخش فوقانی، وارد برج تقطیر میگردد. در درون برج تقطیر بخشی از "مایع
مادر" که شامل "بیکربنات آمونیوم" و "کربنات آمونیوم"
است، تحت حرارت حاصل از بخار Low pressure (SL
یاLP ) حاصل از واحد Boiler
که از پایین برج تقطیر تزریق شده است، تقطیر شده و گازهای آمونیاک و دی اکسید کربن
آن آزاد میگردند. محلول باقیمانده محتوی مقدار بسیار بالایی کلرید آمونیوم می باشد
که از بخش میانی برج تقطیر خارج و وارد رآکتوری شیمیایی به نام "پریلایمر"
میگردد و با نسبت مشخصی با شیره آهک ارسالی از واحد آهک واکنش داده و آمونیاک
موجود در آن جدا گردیده، و محلول باقیمانده که محلول پساب آمونیاکی می باشد وارد
بخش زیر برج تقطیر میگردد. در آنجا پس از جدا شدن آمونیاک باقیمانده آن، از قسمت
پایینی برج تقطیر وارد فلش تانک اول (زیر پریلایمر) میگردد و پس از بازیافت بخار و
برگشت آن به خط تولید، محلول دورریز وارد فلش تانک دوم گشته، و بخار خروجی از فلش
تانک وارد تجهیزی به نام Weak Liquor Distillation Tower
میگردد. در نهایت پساب
خروجی از فلش تانک دوم که حاوی "کلرید کلسیم، نمک و رسوبات غیر قابل حل در آب"
می باشد توسط پمپ به لاگونهای رسوب گیر بیرون از کارخانه فرستاده میشود.
گاز
آمونیاک خروجی از برج تقطیر به واحد جذب، جهت جذب آمونیاک ارسال میگردد. (توضیح
قبلا داده شده است). سپس کندانسهای تشکیل شده از گاز آمونیاک خروجی از برج تقطیر
(در داخل کندانسور)، بهمراه کندانسهای گاز کلساینر وارد مخزنی جداگانه شده، توسط
پمپ به بالای برج Weak Liquor Distillation Tower
ارسال میگردد تا آمونیاک آن از آب جدا گردد و آب داغ جهت محلول سازی به واحد مرتبط
ارسال گردد.
10- واحد کلساینر (کربنات سبک): کریستالهای بیکربنات جدا شده پشت درام
فیلتر به واحد کلساینر ارسال شده، وارد Light Ash Calciner
میگردد و با بخار فشار متوسط بخش بویلر، ساختار کریستال تجزیه شده تبدیل به گاز CO2
و آب و بیکربنات سدیم پودری شکل میگردد. گاز غلیظ تولیدی توسط خطوط مربوطه وارد Calciner
gas Scrubber & Condensing Tower میگردد، پس از سرد شدن، کندانس آن به واحد
تقطیر ارسال میشود و گاز سرد شده وارد برج شستشو (Scrubber
Tower) گشته، با آب شسته میشود و به واحد کمپرسور
جهت استفاده در کربوناتورهای ارسال میگردد.
کربنات
سدیم سبک در صورت نیاز به بسته بندی و فروش، ابتدا در داخل یک "مبدل"
سرد گشته و سپس به سمت "بیگ بگ" ها جهت حمل به مشتری ارسال میگردد.
11- واحد کربنات سنگین: درصورت
نیاز به کربنات سدیم سنگین، کربنات سبک دیگر به سمت مبدل حرارتی نمیرود و
با همان دمای بالا به هاپر ذخیره در واحد کربنات سنگین ارسال شده، از آنجا به سمت
"هیدراتور" هدایت میگردد. در آنجا با آب دمین (DW)
میکس شده و کربنات سدیم منو هیدراته (Na2CO3.H2O) تولید میشود. این محصول
سپس وارد تجهیزی به نام "بستر سیال" یا "Fluidized Bed"
و یا "Dense Ash Calciner" (بسته به تشخیص طراح) گشته، پس از
حرارت دیدن و جدا شدن ملکول آب موجود در آن تبدیل به کربنات سدیم سنگین میشود و
خروجی محصول سنگین توسط یک Baguette Elevator وارد یک سرند (Ash
Screen) شده تا با دانه بندی مورد نیاز به سمت
انبار محصول راهی گردد.
موازنات
شیمیایی اصلی تولید کربنات سدیم (سبک و سنگین):
CaCO3
+ (Heat) à CaO
+ CO2: (در کوره آهک)
CaO
+ H2O à Ca(OH)2:
(در اسلکر)
H2O) + Making BA (Ammoniacal Brine): (NaCl + NH3 : (در برج جذب و شستشو)
NaCl + H2O + CO2 + 2 NH3 à NaCl
+ (NH4)2CO3 : (در برج کربناتور Cleaning)
: (در برج
شستشو Scrubber Tower و برج کربناتور Making)
(NH4)2CO3 + 4NH3 +3CO2 +
5H2O + 2NaCl à NH4HCO3 + NH4Cl + NaHCO3 + (NH4)2CO3 + 2NH4OH + NaCl + H2O
NH4HCO3 + NaCl à NaHCO3 + NH4Cl: (فرمول ساده شده محصول برج
کربناتور)
:
(در برج تقطیر)
NH4HCO3 + NH4Cl + (NH4)2CO3 + NH4OH + NaCl +
H2O à 2CO2+ 3NH3 + NH4Cl + NH4OH + NaCl + 2H2O
Ca(OH)2
+ 2NH4Cl à CaCl2
+ 2 NH4OH : (در پریلایمر)
2 NaHCO3 in Dryer à Na2CO3(Light Soda Ash) + CO2 + H2O
: (در کلساینر سبک)
Na2CO3 + H2O (Demin Water)à Na2CO3.H2O
: (در هیدراتور)
Na2CO3.H20
in Dryer à Na2CO3(Dence
Soda Ash) : (در کلساینر سنگین یا فلوئدایزبِد)
بررسی جامع فرآیند تولید کربنات سدیم به روش
آمونیاک‑سولوی در مقیاس صنعتی
(مطالعه موردی: کارخانه ویفانگ) با رویکرد بهینهسازی و
پایداری
چکیده (Abstract)
کربنات سدیم (سودا اَش) از جمله مواد اولیهٔ حیاتی در صنایع شیشه، مواد
شوینده، متالورژی و صنایع شیمیایی محسوب میشود. فرآیند آمونیاک‑سولوی، علیرغم
قدمت بالا، همچنان بهعنوان اصلیترین روش تولید جهانی این ماده شناخته میشود. در
مطالعهٔ حاضر، مستندات فنی کارخانهٔ ویفانگ (با ظرفیت اسمی ۲۰۰ هزار تن در سال) بهصورت نظاممند و از منظر مهندسی
شیمی، ترمودینامیک، کنترل فرایند و زیستمحیطی مورد واکاوی قرار گرفته است. ضمن
تشریح گامهای عملیاتی از کورهٔ آهک تا تولید محصول سنگین، گلوگاههای عملیاتی
(شامل مصرف بالای انرژی، خوردگی تجهیزات، مدیریت پسماند کلرید کلسیم و کنترل
ناپایدار کریستالزایی) شناسایی شدهاند. در ادامه، بستهٔ پیشنهادی جامعی متشکل از
راهکارهای نوین شامل جایگزینی سیستمهای غشایی، پیادهسازی کنترل پیشبین مدل
(MPC)، یکپارچهسازی انرژی
(Pinch Analysis)، استفاده از
پوششهای نانوکامپوزیتی و تبدیل پسماند کلرید کلسیم به محصولات با ارزش افزوده
ارائه میگردد. این راهکارها میتوانند بازده انرژی را تا ۱۲٪ افزایش، انتشار آلایندهها را کاهش و اقتصاد چرخشی
کارخانه را بهبود بخشند.
کلیدواژهها: کربنات سدیم،
فرآیند سولوی، کلساینر، کربوناسیون، بازیافت آمونیاک، بهینهسازی انرژی، پسماند
کلرید کلسیم، کنترل پیشبین مدل.
1.
مقدمه
فرآیند سولوی که توسط ارنست سولوی در سال ۱۸۶۱ ابداع شد، هنوز هم بیش از ۸۰٪ از تولید جهانی سودا اَش را به خود اختصاص میدهد. این
فرآیند مبتنی بر واکنشهای شیمیایی بین نمک طعام (NaCl)، سنگ آهک (CaCO₃) و آمونیاک (NH₃) است که در آن آمونیاک نقش کاتالیزور چرخهای را ایفا کرده و بازیافت میشود.
مستند کارخانهٔ ویفانگ، نمایشدهندهٔ یک طراحی صنعتی کامل با بخشهای جانبی نظیر
غبارگیری پیشرفته، شفافسازی آب نمک و تولید همزمان سودا اَش سبک و سنگین است. با
این حال، چالشهای ذاتی این روش نظیر مصرف بالای بخار در برجهای تقطیر، تولید
پساب کلرید کلسیم و خوردگی ناشی از کلرید آمونیوم، همچنان پابرجا هستند. هدف این
مقاله، فراتر از یک تحلیل توصیفی، ارائهٔ راهکارهای عملیاتی و مهندسی برای ارتقاء
کارخانه به سطح یک واحد صنعتی پایدار و هوشمند است.
2.
متدولوژی تحلیل و ساختار فرایند
تحلیل حاضر بر پایهٔ اسناد فنی کارخانه، موازنههای جرمی و انرژی، و اصول
ترمودینامیک صورت گرفته است. فرایند تولید به ۱۱ واحد عملیاتی تفکیک شده که زنجیرهٔ آن در جدول ۱ به اختصار ترسیم شده است.
|
شماره |
نام واحد |
ورودی اصلی |
خروجی اصلی |
عملکرد کلیدی |
|
1 |
کوره آهک (Lime Kiln) |
سنگ آهک (CaCO₃) |
CO₂
+ CaO |
تأمین مادهٔ اولیه و گاز واکنشدهنده |
|
2 |
غبارگیری و تصفیهٔ
CO₂ |
گاز خام کوره |
CO₂
خالص فشار پایین |
حذف ذرات جامد، مایع و یونهای مزاحم |
|
3 |
اسلکر
(Slaker) |
آب + CaO |
شیره آهک
Ca(OH)₂ |
تولید مادهٔ قلیایی
برای بازیافت NH₃ |
|
4 |
واحد آب نمک
(Brine) |
نمک خام + آب |
آب نمک خالص (Purified Brine) |
حذف یونهای
Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄²⁻ |
|
5 |
برج شستشو و جذب
آمونیاک |
آب نمک خالص
+ NH₃ |
آب نمک آمونیاکی
اشباع (BA) |
انحلال آمونیاک در آب
نمک |
|
6 |
کمپرسورهای
CO₂ |
CO₂ (GK + GCT) |
CO₂ با فشار و دمای بالا |
افزایش فشار گاز برای
کربوناسیون |
|
7 |
برجهای کربوناسیون |
BA + CO₂ |
ماگمای
NaHCO₃ + مایع مادر |
واکنش اصلی تشکیل
کریستال جوش شیرین |
|
8 |
فیلتراسیون |
ماگما |
کریستال
NaHCO₃ + مایع مادر |
جداسازی جامد از مایع |
|
9 |
برجهای تقطیر |
مایع مادر + بخار
LP |
NH₃ بازیافتی + پسماند CaCl₂ |
بازیافت آمونیاک و
تولید پساب |
|
1۰ |
کلساینر سبک |
NaHCO₃ |
سودا اَش سبک
+ CO₂ |
تجزیه حرارتی و تولید
محصول نهایی |
|
11 |
هیدراتور و کلساینر
سنگین |
سودا اَش سبک + آب
دمین |
سودا اَش سنگین |
هیدراتهسازی و آبگیری
مجدد |
3.
تحلیل عمیق گلوگاهها و چالشهای عملیاتی
(بر اساس مستند)
۳‑۱.
چالش در خالصسازی گاز CO₂
استفاده از برجهای الکترواستاتیک برای جداسازی یونهای کلسیم و منیزیم،
اگرچه مؤثر است، اما مصرف انرژی الکتریکی بالایی داشته و در مواجهه با نوسانات
رطوبت گاز، کارایی آن افت میکند (پدیدهٔ جرقهزنی). همچنین وجود برج پکینگ کک در
پلان سمنان نشان از ناپایداری طراحی در واحدهای مشابه دارد.
۳‑۲.
کنترل کریستالزایی در برجهای Making
فرمول سادهٔ NH₄HCO₃ + NaCl → NaHCO₃ + NH₄Cl در عمل بسیار پیچیدهتر است. اگر دما در Cooling
Box ها بهخوبی کنترل نشود،
کریستالهای سوزنی بسیار ریز (با قطر کمتر از ۵۰ میکرون) تشکیل میشوند که فیلتراسیون را با مشکل مواجه
کرده و درصد رطوبت کیک را افزایش میدهد و در نتیجه مصرف انرژی در کلساینر را بالا
میبرد.
۳‑۳.
مصرف انرژی در برجهای تقطیر
برج تقطیر اصلی و برج تقطیر مایع ضعیف (Weak Liquor
Distillation) پرمصرفترین بخش
کارخانه هستند. تزریق بخار کمفشار (LP) از پایین برج، اگرچه باعث آزادسازی آمونیاک میشود، اما بازده حرارتی
پایینی دارد و بخش بزرگی از حرارت بههمراه پسماند کلرید کلسیم به لاگونها دفع میشود
که اتلاف انرژی عظیمی است.
۳‑۴.
مدیریت پسماند کلرید کلسیم
خروجی فلش تانک دوم حاوی محلول CaCl₂، نمک طعم نخورده و رسوبات است. تخلیهٔ این حجم عظیم از پساب (بیش
از ۲۰۰ مترمکعب در روز) به
لاگونها، نهتنها بار زیستمحیطی سنگینی دارد، بلکه باعث از دست رفتن پتانسیل
اقتصادی (تبدیل
CaCl₂ به مواد ضدیخ یا کمکالاینده در حفاری)
میشود.
4.
بستهٔ پیشنهادی جامع جهت ارتقاء کارخانه به
سطح بهینه و پایدار
در این بخش، راهکارهای پیشنهادی بهصورت سیستماتیک و با اولویتبندی (فنی،
اقتصادی و زیستمحیطی) تدوین شدهاند.
۴‑۱.
بازطراحی سیستم تصفیهٔ گاز (
CO₂جایگزینی غشایی)
پیشنهاد: بهجای برج
الکترواستاتیک یا پکینگ کک، از فیلترهای غشای سرامیکی با قطر منافذ
نانومتری در کنار جاذبهای زئولیتی استفاده شود.
توجیه: غشاهای سرامیکی
در دمای بالا (تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد)
مقاوم بوده و میتوانند با مکانیزم نفوذ انتخابی، نهتنها ذرات و مایعات، بلکه
مولکولهای آب را نیز حذف کنند. این امر فشار کاری موردنیاز برای کمپرسورها را
کاهش داده و از خوردگی ناشی از تشکیل اسید کربنیک در حضور رطوبت جلوگیری میکند.
همچنین مصرف انرژی الکتریکی این سیستم حدود ۳۰٪ کمتر از برج الکترواستاتیک برآورد میشود.
۴‑۲.
پیادهسازی کنترل پیشبین مدل
(MPC) در برجهای کربوناسیون
پیشنهاد: طراحی یک سیستم
کنترلی چندمتغیره (MIMO) مبتنی بر مدل پیشبین (Model Predictive Control) که بهصورت همزمان دبی جریان BA، دبی گازهای GK و GEC، دمای لایههای
میانی برج و سرعت چرخش همزنهای Cooling Box را تنظیم نماید.
توجیه: MPC قادر است با پیشبینی رفتار توزیع اندازهٔ کریستالها
(CSD) از طریق مدلهای جمعیتی
(Population Balance)، از تشکیل
ذرات ریز جلوگیری کند. هدف، دستیابی به کریستالهایی با اندازهٔ میانگین ۱۵۰ تا ۲۰۰ میکرون است که راندمان فیلتراسیون را تا ۱۵٪ بهبود میدهد و رطوبت کیک ورودی به کلساینر را به زیر ۸٪ کاهش میدهد و در نتیجه مصرف سوخت کلساینر را به میزان
محسوسی کم میکند.
۴‑۳.
یکپارچهسازی حرارتی
(Pinch Analysis) و بازیابی
حرارت محسوس و نهان
پیشنهاد: انجام مطالعهٔ
جامع پینچ برای شبکهٔ مبدلهای حرارتی کارخانه. بهویژه، حرارت
خروجی از کلساینرهای سبک و سنگین (گازهای خروجی با دمای بالای ۱۸۰ درجه) و همچنین حرارت گاز آمونیاک خروجی از برج تقطیر،
نباید مستقیماً به برج خنککننده (کندانسور) ارسال شوند؛ بلکه پیشنهاد میشود:
·
از این حرارت برای پیشگرمایش مایع مادر ورودی به برج
تقطیر استفاده شود. (کاهش مصرف بخارLP)
·
حرارت باقیمانده برای تبخیر بخشی از پساب در یک فلش تانک
تحت خلأ استفاده شود تا آب بازیافتی به چرخه تولید (واحد انحلال نمک) بازگردد.
توجیه: با اجرای این
طرح، مصرف بخار کمفشار موردنیاز واحد تقطیر تا ۲۰٪ کاهش یافته و مجموع مصرف سوخت کارخانه تا ۶ درصد بهبود مییابد که در تناژ ۲۰۰ هزار تن، معادل صرفهجویی سالانه چندین هزار تن معادل
نفت خام (TOE) خواهد بود.
۴‑۴.
تبدیل پسماند کلرید کلسیم به محصول با ارزش
افزوده (اقتصاد چرخشی)
پیشنهاد: بهجای ارسال
مستقیم پساب CaCl₂
به لاگون، طراحی یک واحد تبدیل کلرید کلسیم به سولفات کلسیم (گچ) با
استفاده از اسیدسولفوریک یا سولفاتهای موجود (مانند Na₂SO₄ بازیافتی) و یا تولید
کلسیم کلراید مایع یا جامد با خلوص ۳۰ تا ۴۰ درصد برای مصارف صنعتی (ضدیخ، تثبیت گردوغبار جادهها و کمک الاینده در
صنعت نفت).
توجیه: واکنش CaCl₂
+ Na₂SO₄ → CaSO₄↓ + 2NaCl امکانپذیر
است و گچ تولیدی قابل استفاده در صنعت سیمان و تختهگچی است. همچنین خشککردن
CaCl₂ با استفاده از حرارت بازیافتی (بند ۴‑۳)
امکانپذیر است. این اقدام نهتنها مشکل
زیستمحیطی لاگونها را تا ۹۰٪ کاهش میدهد، بلکه منبع درآمد سالانهٔ جدیدی برای کارخانه ایجاد میکند.
۴‑۵.
استفاده از پوششهای نانوکامپوزیتی ضدخوردگی
در برجهای تقطیر
پیشنهاد: پوششدهی سطوح
داخلی برج تقطیر و پریلایمر با لایههای هیبریدی سیلیکا‑پلیمر که
مقاومت بالایی در برابر تنشهای خوردگی ناشی از کلرید آمونیوم داغ و دیاکسید کربن
مرطوب دارند.
توجیه: یکی از دلایل
توقف اضطراری کارخانه، تعویض صفحات مبدلها و نشتی برجها در اثر خوردگی شیاری
است. این پوششها با ضریب انتقال حرارت مناسب و هزینهٔ اجرایی معقول، عمر مفید
تجهیزات را ۲ برابر کرده و هزینهٔ
تعمیرات و نگهداری (نت) را تا ۴۰٪ کاهش میدهند.
۴‑۶.
بهینهسازی راکتور پریلایمر (واکنش با شیره
آهک)
پیشنهاد: تغییر هندسهٔ
راکتور از نوع همزندار معمولی به راکتور لولهای استاتیک میکسر
(Static Mixer) با ایجاد تلاطم بالا و زمان ماند کنترلشده.
توجیه: واکنش Ca(OH)₂
+ 2NH₄Cl → CaCl₂ + 2NH₄OH سریع اما
نیازمند تماس کامل فازهای جامد‑مایع است. استفاده از استاتیک میکسرها باعث افزایش
راندمان جدایش آمونیاک از محلول شده و از ورود شیره آهک واکنشنداده به برج تقطیر
جلوگیری میکند. این امر باعث کاهش قلیائیت پسماند نهایی و جلوگیری از رسوبگیری
در خطوط پاییندستی میگردد.
5.
تحلیل زیستمحیطی و پایداری
کارخانهٔ ویفانگ با اجرای پیشنهادات فوق، بهطور قابلتوجهی به سمت یک واحد
تولیدی با آلایندگی پایین حرکت خواهد کرد:
·
آب: بازچرخانی آب
حاصل از تبخیر پساب و آب شستشوی فیلترها، باعث کاهش ۱۵ تا ۲۰ درصدی مصرف آب شیرین خام میشود.
·
هوا: با تولید گاز
CO₂ مورد نیاز از خود فرایند (بدون نیاز به خرید
گاز خارجی) و عدم تخلیهٔ CO₂ غلیظ به اتمسفر، کارخانه از مزیت کربنخنثایی نسبی برخوردار میشود.
استفاده از کمپرسورهای توربینی جدید نیز باعث کاهش آلودگی صوتی میگردد.
·
پسماند جامد: تبدیل لجن
دورریز کوره (Waste Stone) به مصالح راهسازی و بازیافت کلسیم از پساب، حجم پسماند نهایی را به کمتر
از ۵٪ مقدار فعلی میرساند.
۶.
بحث و ارزیابی اقتصادی‑عملیاتی
اجرای بستهٔ پیشنهادی نیازمند سرمایهگذاری اولیهٔ متوسط (برآورد اولیه ۸ تا ۱۲ میلیون یورو برای تجهیزات پیشرفته و مهندسی مجدد) است که با در نظر گرفتن
صرفهجویی ناشی از کاهش ۲۰٪ مصرف بخار،
کاهش ۱۵٪ مصرف برق، کاهش هزینههای
نگهداری و فروش محصول جانبی CaCl₂،
دورهٔ بازگشت سرمایه (ROI) را به حدود ۳ سال میرساند.
البته پیشنهاد میشود اجرا بهصورت فازبندی شده آغاز شود:
·
فاز اول: نصب سیستمهای کنترل MPC و یکپارچهسازی پینچ.
·
فاز دوم: بازطراحی سیستم تصفیهٔ گاز و پوششدهی نانوکامپوزیت.
·
فاز سوم: احداث واحد تبدیل CaCl₂ که پس از فراهم شدن بازار فروش محصول، اجرا شود.
7.
نتیجهگیری
مستند فرایندی کارخانهٔ ویفانگ، تصویر کامل و موثری از یک واحد صنعتی تولید
کربنات سدیم بر پایهٔ روش سولوی ارائه میدهد. با این حال، انطباق با استانداردهای
روز دنیا نیازمند تحول در حوزهٔ کنترل هوشمند، بهینهسازی انرژی و مدیریت
پسماند است. در این مقاله، با نگرش سیستماتیک و مهندسی، راهکارهایی فراتر
از راهحلهای مرسوم ارائه گردید که همگی بر اساس دادههای عملیاتی مستند، امکانسنجی
شدهاند. بهکارگیری این پیشنهادات نهتنها مزیت رقابتی کارخانه را در بازار داخلی
و بینالمللی افزایش میدهد، بلکه گامی بلند در راستای تحقق اهداف تولید صنعتی سبز
و اقتصاد چرخشی محسوب میشود.
۸.
تحلیل کامل معادلات شیمیایی و محاسبات
استوکیومتری (موازنه جرم برای ظرفیت ۲۰۰ هزار تن در سال)
۸‑۱.
معادلات شیمیایی کامل با در نظر گرفتن حالت
فیزیکی مواد
برخلاف فرمولهای سادهشده، در اینجا کلیه واکنشها با فازهای ترمودینامیکی
(جامد s، مایع l، گازg
و محلول آبی aq) بهصورت
کامل و متوازن ارائه میشوند که برای طراحی راکتورها و برجها مبنای دقیقتری
هستند.
1-
تجزیه حرارتی سنگ آهک (کوره آهک):
2-
تولید شیره آهک (اسلکر):
3-
انحلال آمونیاک و واکنش اولیه در برج شستشو (تشکیل آمونیوم کربنات):
4- واکنش کامل شبکهای در
برج کربوناتور (برج Making) هسته اصلی تولید:
واکنش کلی بین آب نمک آمونیاکی (حاوی NaCl وNH₃ ) و دیاکسید
کربن بهصورت زیر است که طی چند مرحله میانی رخ میدهد:
توجه: این معادله،
معادله نهاییِ متوازن و سادهشدهٔ اصلی است. اما در عمل، مخلوط خروجی برج (مایع
مادر) حاوی ترکیبات زیر است که معادله کامل موازنه جرمیِ برج بهصورت مجموع واکنشهای
همزمان زیر محاسبه میشود:
5-
تجزیه حرارتی بیکربنات سدیم در کلساینر سبک (تولید سودا اش سبک):
6- هیدراتاسیون و آبگیری
در تولید سودا اش سنگین:
مرحله اول (هیدراتور):
مرحله دوم (کلساینر سنگین / بستر سیال):
7-
بازیافت آمونیاک در پریلایمر (واکنش با شیره آهک):
8-
واکنش کامل تئوریِ خالصسازی آب نمک (حذف یونهای کلسیم و منیزیم و سولفات):
۸‑۲.
محاسبات استوکیومتری و موازنه جرم سالیانه
(بر اساس ظرفیت اسمی ۲۰۰,۰۰۰ تن سودا اش)
برای محاسبات، از وزنهای اتمی تقریبی (g/mol)
استفاده شده است:
Na=23، Cl=35.5،
C=12، O=16، H=1، N=14، Ca=40،
Ba=137.
|
مادهی اولیه / محصول |
وزن ملکولی
(g/mol) |
نسبت مولی به
Na₂CO₃ |
جرم مورد نیاز یا تولید سالیانه (تن) |
ضریب ایمنی صنعتی (۵٪) |
|
محصول نهایی
(Na₂CO₃) |
۱۰۶ |
۱ |
۲۰۰,۰۰۰ |
- |
|
بیکربنات سدیم
(NaHCO₃) |
۸۴ |
2 (طبق واکنش 5) |
|
~۳۳۳,۰۰۰ |
|
نمک طعام خالص
(NaCl) |
۵۸.۵ |
2 (طبق واکنش ۴) |
|
~۲۳۲,۰۰۰ |
|
سنگ آهک
(CaCO₃) |
۱۰۰ |
۱ (طبق واکنش ۱) |
|
~۱۹۸,۰۰۰ |
|
دیاکسید کربن
(CO₂) |
۴۴ |
۱ (طبق واکنش ۴) |
|
~۸۷,۲۰۰ |
|
کلرید کلسیم
(CaCl₂) |
۱۱۱ |
۱ (طبق واکنش ۷) |
|
~۲۲۰,۰۰۰ |
|
آمونیاک
(NH₃) |
۱۷ |
۲ (طبق واکنش ۴) |
|
بازیافت میشود |
|
آب دمین
(H₂O) |
۱۸ |
1 (طبق واکنش 6) |
|
~۳۵,۷۰۰ |
۸‑۳.
تحلیل موازنه گاز (CO₂ کمبود یا مازاد داخلی)
یکی از نکات کلیدی در فرآیند سولوی، تأمین CO₂ مورد نیاز برجهای کربوناسیون از دو منبع داخلی است:
- منبع اول (کوره
آهک:GK ) - براساس واکنش (۱)، به ازای هر تن
CaCO₃، حدود ۰.۴۴ تن CO₂ تولید میشود. با مصرف ~۱۹۸,۰۰۰ تن سنگ آهک، حدود ۸۷,۰۰۰ تن CO₂ از کوره حاصل میشود.
- منبع دوم (کلساینر سبک:GEC
) - بر
اساس واکنش (۵)، به ازای هر ۲ تن NaHCO₃ (معادل ~۱.۰۶ تن سودا)، حدود ۰.۵۲ تن CO₂ آزاد میشود که پس از شستشو به چرخه بازمیگردد.
این مقدار حدوداً ۳۹,۰۰۰
تن CO₂ را شامل میشود.
- جمع تولید داخلی CO₂: ~۱۲۶,۰۰۰ تن در سال.
- مصرف CO₂ در برج
کربوناسیون (واکنش ۴):
حدود ~۸۷,۰۰۰ تن در سال.
نتیجه استوکیومتری: تولید داخلی
CO₂ بیش از نیاز مصرفی برجها است و مازاد آن
(حدود ۳۰ تا ۴۰ هزار تن در سال) عمدتاً از طریق برجهای شستشوی نهایی
(Scrubber) جذب نشده و اگر بازیابی
نشود، به اتمسفر تخلیه میشود. پیشنهاد ما در بخش ۴‑۳
(یکپارچهسازی
حرارتی) با فشردهسازی و تزریق مجدد این مازاد به واحد کربوناسیون (با تقویت
کمپرسورها) میتواند ضمن افزایش راندمان واکنش (با افزایش فشار جزئی CO₂) ، از انتشار این گاز گلخانهای جلوگیری کند.
۸‑۴.
بازده واقعی و ضریب بازیافت آمونیاک
- بازده واکنش
کربوناسیون: تئوری بر اساس واکنش (۴)، بازده تبدیل
NaCl به NaHCO₃، ۱۰۰٪ است؛ اما در عمل به دلیل حلالیت متقابل و محدودیتهای
سینتیکی، بازده بین ۸۵
تا ۹۲٪ متغیر است که عمدتاً به دمای برج بهینه ۳۰‑۳۵
درجه در بخش
Cooling Box و فشار جزئی CO₂ بستگی
دارد.
- ضریب بازیافت
آمونیاک: بر اساس موازنه واکنشهای (۳) و (۷)، مجموع آمونیاک ورودی باید برابر با خروجی باشد.
در طراحی ویفانگ، بازیافت آمونیاک در چرخه حدود ۹۸.۵٪ هدفگذاری شده که معادل تلفات سالانهی حدود ۱,۰۰۰ تن آمونیاک (که بهصورت مازاد در پسماند یا نشتی
تجهیزات هدر میرود) است. با اجرای پیشنهاد کنترل MPC روی برج
تقطیر، این تلفات تا ۰.۵٪ دیگر قابل کاهش است که صرفهجویی اقتصادی قابلتوجهی
(حدود ۵۰۰,۰۰۰ یورو در
سال) بهدنبال خواهد داشت.
۸‑۵.
جمعبندی عددی موازنه انرژی (برآورد)
بر اساس آنتالپی واکنشها:
- واکنش (1)
گرماگیر
است و حدود ۱۷۸ کیلوژول بر مول
CaCO₃ انرژی مصرف میکند
(معادل ~۴۰ درصد سوخت کوره).
- واکنش (۲)
گرمازا بوده و حرارت آن برای پیشگرمایش
شیره آهک استفاده میشود.
- واکنش (۵)
گرماگیر بوده و حدود ۱۳۰ کیلوژول بر مول
NaHCO₃ نیاز دارد (تأمینشده
توسط بخار متوسطفشار بویلر).
- کل مصرف ویژه
انرژی بر اساس
مستندات صنعتی مشابه، حدود ۹ تا ۱۱ گیگاژول به ازای هر تن سودا اش است که با اجرای
راهکارهای پینچ و بازیابی حرارت (بخش ۴‑۳)، این عدد به محدودهی ۷.۸ تا ۸.۵ گیگاژول بر تن کاهش خواهد یافت که رقابتپذیری
کارخانه را در سطح کارخانههای نسل جدید (مانند روشهای ترکیبی با غشاهای
الکترودیالیز) قرار میدهد.
منابع (مراجع
پیشنهادی برای مطالعهٔ بیشتر)
۱. Garrett, D. E. (2001). Sodium
Carbonate: A Comprehensive Treatise. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical
Technology.
۲. Kuenen, J. G., & Smith, J. M.
(2018). Chemical Process Design and Integration, Wiley.
۳. استاندارد طراحی برجهای کربوناسیون در کارخانههای سولوی (مرجع داخلی شرکت
سمنان و ویفانگ).
۴. گزارشهای سازمان محیطزیست در مورد مدیریت پسماندهای کلریدی
(UNEP, ۲۰۲۰).
۵. Chen, Z. et al. (2022). "MPC
application in crystallizer control", Chemical Engineering Science,
245, 116۸۲۹.
هیچ نظری موجود نیست:
ارسال یک نظر