آمونیاک گازی بی‌رنگ و متشکل از گازهای هیدروژن و نیتروژن و دارای فرمول شیمیایی NH3 است. با بویی متمایز که یک ماده شیمیایی بسیار با ارزش و ماده کلیدی در تولید انواع محصولات شیمیایی می‌باشد و جهت مصارف مختلف آن را به صورت آمونیاک مایع نیز مورد استفاده قرار می‌دهند.
آمونیاک به طور طبیعی در هوا، خاک، آب، گیاهان، جانوران و انسان وجود دارد. بدن انسان هنگامی که پروتئین غذاهای مصرفی را تجزیه می‌کند، آن‌ها را به آمونیاک و آمینو اسید تبدیل می‌کند. آمونیاک (Ammonia) در طبیعت از تجزیه مواد آلی ازت دار، مهم‌ترین ترکیب هیدروژنه ازت، تولید می‌شود. شکل فضایی آمونیاک هرمی بوده و زاویه پیوندی بین هر دو اتم هیدروژن در آمونیاک ۱۰۷٫۸ درجه است.
مشخصات آمونیاک
آمونیاک ترکیبی از نیتروژن و هیدروژن است که مهم‌ترین ترکیب هیدروژنه ازت است و در طبیعت از تجزیه مواد آلی ازت دار بدست می‌آید. آمونیاک گازی است بی رنگ، با مزه فوق العاده تند و زننده که اشک‌آور و خفه کننده است. گاز آمونیاک از هوا سبک‌تر بوده و به سهولت به مایع تبدیل می‌شود. آمونیاک در آب بسیار محلول بوده و در منفی ۷۷/۷ درجه سانتیگراد منجمد و در منفی ۳۳/۳ درجه سانتیگراد به جوش در می‌آید. از مشخصات آمونیاک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- گازی بی رنگ است و وزن مولکولی آن 17.031 گرم بر مول می‌باشد.
- دارای بو و مزه فوق‌العاده تند که اشک‌آور و خفه کننده است.
- این گاز از هوا سبک‌تر می‌باشد و به سهولت به مایع تبدیل می‌شود و محلول در آب است.
- هنگامی که به آن گرما داده می شود، بخارات سمی و همچنین نیتروژن اکسید از خود منتشر می‌کند.
- نقطه انجماد: ۷۷٫۷- درجه سانتی گراد
- نقطه جوش: ۳۳٫۳- درجه سانتی گراد
- وزن مخصوص: ۸۸ گرم بر سانتی متر مکعب (محلول اشباع آمونیاک)
- اسیدیته (ph): ۱۱٫۶
حدود اشتعال این گاز ۱۶-۲۵ درصد حجمی گاز آمونیاک در هوا است. آمونیاک در صورت تماس با نقره و جیوه، فورمینات نقره و جیوه را تولید می‌کند که این مواد قابل اشتعال و انفجار می‌باشند. گاز آمونیاک از دمای ۴۰۰ درجه به بالا شروع به تجزیه شدن می‌کند و این امر سبب تولید هیدروژن می‌شود.
تاریخچه آمونیاک
تاریخچه آمونیاک به زمان مصر باستان برمی‌گردد. رومی‌های باستان آمونیوم کلرید را به عنوان پول و سپرده استفاده می‌کردند. آن‌ها سنگ آمونیوم را از مکانی به نام پرستشگاه ژوپیتر یا همان لیبی جدید جمع‌آوری می‌کردند. اما آمونیاک به شکل نمک آمونیاک نخستین بار توسط جابر ابن حیان در قرن هفت شناخته شد. نخستین کسی که گاز آمونیوم خالص را بدست آورد یک شیمیدان انگلیسی به نام جوزف پریستلی بود. وی آمونیوم خالص را در سال ۱۷۷۴ تهیه کرد و اسمش را هوای قلیایی نهاد.
در اوایل آمونیاک اغلب از روش تقطیر خشک سبزیجات نیتروژن‌دار و فضولات حیوانی بدست می‌آمد. امروزه در روش‌های مدرن تولید آمونیاک ابتدا گاز طبیعی یا LPG و یا نفت را به گاز هیدروژن تبدیل می‌کنند. در ادامه مقاله به روش‌های تولید آمونیاک پرداخته‌ایم.
کاربردهای آمونیاک
آمونیاک در فرآیند تولید کودهای شیمیایی ازت‌دار کشاورزی و اسید نیتریک و سایر ترکیبات نیتروژنه و در ساخت مواد منفجره و در تکنولوژی حفاری و استخراج و انتقال گاز کاربرد دارد. بیشترین استفاده از آمونیاک در تهیه کود های شیمیایی بوده که بیش از نیمی از تولید جهانی آمونیاک را شامل می‌شود و باقیمانده در سایر بخش‌های صنعتی و تهیه مواد دیگر به کار گرفته می‌شود. آمونیاک کاربردهای دیگری نیز دارد از قبیل:
- ساخت کودهایی از قبیل نیترات
- کارخانه‌های یخسازی
- تهیه سولفات و فسفات آمونیوم
- تهیه اسید نیتریک
- تهیه اوره، هیدروکسیل آمین و هیدرازین
- دارو و مواد منفجره
- تهیه الیاف سنتزی نیتر و پارافین و نیترو سلولز
- صنایع نفت
- صنایع شیمیایی
- صنعت چرم
- عملیات پخت فلزات
- صنایع لاستیک و فیبر
- صنایع کاغذ و خمیر آن
- صنایع معدن کاری و متالوژی
- صنایع داروسازی و پاک‌کنندگی
کاربرد آمونیاک در صنعت یخسازی
ساخت سردخانه‌های آمونیاکی پیشینه‌ای چند صد ساله دارد. در نخستین یخچال‌های صنعتی ساخته شده، از گاز آمونیاک (NH3) به عنوان سیال مبرد استفاده می‌شد. اما بعدها به خاطر معایبی که آمونیاک داشت، این سیال با سیال های دیگری مثل مبردهای فریونی جایگزین شد. امروزه اما شرکت‌های سازنده به خاطر مشکلات زیست محیطی ترکیبات فریون و اثر آن‌ها روی لایه اوزون، یک بار دیگر برای طراحی و ساخت سردخانه‌های صنعتی به سراغ مبرد آمونیاک رفته‌اند. البته در طراحی‌های امروزی سعی شده تا بسیاری از مشکلات گذشته رفع گردد. به طوری که این مدل از سردخانه‌ها در این سال ها جزء انتخاب‌های اولیه صاحبان تولیدی‌ها و انباردارهای بزرگ بوده است.
نخستین یخچال‌های آمونیاکی برپایه سیکل تبرید ساخته شدند. سیکلی که درست برعکس سیکل‌های ماشین کارنو عمل می‌کردند و بیشترین بازدهی را در اختیار سازندگان قرار می‌دادند. در این سیکل سیال مبرد نقش مهمی بازی می‌کند. در حقیقت این سیال مبرد است که گرما را از محیط سردتر به محیط گرم‌تر منتقل می کند. عملی که انجامش نیاز به دادن انرژی (یا همان کار) به سیکل تبرید داشت. امروزه نیز سردخانه‌های آمونیاکی بر همان منوالی طراحی می شوند که در گذشته انجام می‌شد. با این تفاوت که پیشرفت تکنولوژی باعث شده تا دستگاه‌های به کار رفته در سیکل پیشرفته‌تر شده، عملکرد سردخانه بهبود پیدا کند.
مزایای استفاده از آمونیاک در صنعت یخسازی
سردخانه‌های آمونیاکی امروزه بخش گسترده‌ای از سردخانه‌های صنعتی را شامل می‌شوند. دلیل روی آوردن به آمونیاک برای طراحی سردخانه‌های صنعتی طبیعتا به مزایای پرتعداد این سیال مبرد برمی‌گردد. در ادامه مهم‌ترین مزایای آمونیاک و سردخانه‌های آمونیاکی را فهرست کرده‌ایم:
- دمای جوش پایین
- سازگاری با محیط زیست
- هزینه پایین تولید آمونیاک
- بوی شدید آمونیاک (در صورت نشت کردن سریعا مشخص می‌شود.)
- کاهش هزینه های عملیاتی
- میزان انتقال حرارت آمونیاک
- عدم اختلاط پذیری
- کاهش قطر خط لوله
معایب استفاده از آمونیاک در صنعت یخسازی
همین طور که سیال آمونیاک به عنوان مبرد سیکل‌های تبرید دارای مزایای مشخصی است، معایبی هم دارد که باعث می‌شود گاهی طراحان به جای آمونیاک به سراغ دیگر مبردهای تبریدی بروند. از جمله معایب سردخانه‌های آمونیاکی می‌توان به موارد زیر اشاره داشت:
- سمی بودن NH3
- اشتعال پذیری
- وضع قوانین ایمنی سخت گیرانه
- بازبیینی و تعمیرات
- خورندگی آمونیاک در حضور آب
- کارکرد مبرد آمونیاک در فشارهای پایین
- نامناسب برای سردخانه‌های کوچک
روش‌های تولید آمونیاک
عناصر تشکیل‌دهنده آمونیاک نیتروژن (ازت) و هیدروژن می‌باشند که از واکنش و ترکیب این دو گاز آمونیاک تولید می‌شود. نیتروژن مورد نیاز را از هوا و هیدروژن مورد نیاز را از آب به دست می‌آورند و بعد از انجام مراحلی همچون خشک و فشرده کردن آن را تا دمای ۵۴۰ درجه سانتیگراد حرارت می‌دهند. سپس از روی مخلوطی از نمک‌های مختلف می‌گذرانند که در این مرحله است که آمونیاک تولید می‌شود.
روش‌های متفاوتی برای انجام این فرایند وجود دارند که به دلایلی مانند مشکلات عملیاتی یا هزینه بالا قابل اجرا نبوده‌اند. چهار روش اصولی تولید این ماده به شرح زیر می‌باشند که روش آخر به سبب عملی و به صرفه بودن از لحاظ امکان تولید ماده در مقیاس بزرگ صنعتی، در مراکز امروزه انجام می‌پذیرد:
- تقطیر زغال سنگ
- سنتز مستقیم
- تهیه سینامالدئید و سیانوزها
- تولید به روش هابر
روش هابر (Haber Process)
روش هابر توسط فریتس هابر، یکی از شیمیدانان آلمانی برنده جایزه نوبل، در سال ۱۹۰۵ ابداع شد. در آن زمان، هابر در دمای بالای ۵۰۰ درجه سانتیگراد و فشار زیاد ۱۵۰ تا ۲۰۰ اتمسفر با استفاده از یک کاتالیست آهنی و دو گاز تقریبا غیرفعال، آمونیاک را تولید کند. این فعالیت با همکاری هابر و بوش در سال ۱۹۱۳ به سنتز این ماده شیمیایی منجر شد.
امروزه نیز آمونیاک در فرایند هابر به عرصه تولید می‌رسد. این روند با سنتز کاتالیستی آمونیاک از گازهای هیدروژن (H۲) و نیتروژن (N۲) همراه است. به صورتی که این دو گاز در حضور یک کاتالیزگر آهن با یکدیگر واکنش می‌دهند. هیدروژن در ادامه با واکنش گازهای طبیعی و بخار در دماهای بالا تشکیل می‌شود در حالی که نیتروژن از هوا تامین می‌شود.
گازهای دیگر مانند آب و کربن دی اکسید از جریان گاز خارج می‌شوند. سپس هیدروژن و نیتروژن در دمای بالا و فشار زیاد بر روی کاتالیزگر مذکور منتقل می‌شوند و آمونیاک را به وجود می‌آورند. در بعضی روندها، واکنش در دمای ۵۰۰ درجه سانتی گراد و فشار ۲۰۰ اتمسفر رخ می‌دهد و در هر بار عبور گازها مقدار ۱۰ الی ۱۸ درصد از آمونیاک مورد نظر تشکیل می‌شود. به منظور حل مشکل مقدار کم تولید این ماده، جریان گازهای برگشتی در یک چرخه مجددا به راکتور واکنش باز می‌گردند که سبب می‌شود تولید آمونیاک به ۹۷ درصد ارتقا پیدا کند.
از مطالب نه قلم راضی هستید؟ ما را حمایت مالی کنید