اسید سولفوریک به عنوان مادر مواد شیمیایی، در طیف وسیعی از صنایع از جمله تولید کود، تصفیه فلزات، داروسازی و تولید باتری نقشی حیاتی ایفا می‌کند. با توجه به اهمیت این ماده ارزشمند، احداث کارخانه اسید سولفوریک برای تولید آن، سرمایه‌گذاری کلیدی در جهت رونق و شکوفایی این صنایع قلمداد می‌شود. در این مقاله، سفری به دنیای طراحی و ساخت کارخانه اسید سولفوریک خواهیم داشت و پیچیدگی‌ها و ظرافت‌های این فرآیند را مورد بررسی قرار خواهیم داد. از انتخاب روش تولید مناسب تا انتخاب تجهیزات و فناوری‌های روزآمد، گام به گام در این مسیر همراه شما خواهیم بود.
خط تولید کارخانه اسید سولفوریک
خط تولید اسید سولفوریک، دنیایی پیچیده از فرآیندهای شیمیایی و تجهیزات غول پیکر است که در آن، گوگرد به ماده‌ای ارزشمند و کاربردی تبدیل می‌شود. در این میان، اجزایی کلیدی نقش‌آفرینی می‌کنند که گویی قلب تپنده این خط تولید به شمار می‌روند. حوضچه مذاب، کوره، دیگ بخار، کنورتور، مبدل حرارتی، برج خشک، برج جذب، کاتالیست، دمنده ها (بلوورها)، پمپ تانک و مبدل خنک کن اسید از جمله این موارد هستند که در ادامه به بررسی آنها می‌پردازیم.
حوضچه مذاب
حوضچه مذاب یکی از ابزارهای مهم در کارخانه ساخت اسید سولفوریک است که برای ذوب مواد مختلف، از جمله گوگرد استفاده می‌شود. در واقع، به دلیل ویژگی‌های فیزیکی موادی مانند گوگرد که در دمای محیط به صورت جامد هستند، نیاز به دماهای بالا برای ذوب شدن دارند. از این رو، حوضچه مذاب با استفاده از کویل‌های حرارتی که دارای بخار جریانی درونشان هستند، می‌تواند به دماهای بالای 130 درجه سانتیگراد برساند تا مواد مذاب شوند. این فرآیند باعث ایجاد یک محیط مناسب برای ذوب مواد می‌شود و در صنایع مختلف از فلزات گرانبها گرفته تا مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کوره
برای اکسید کردن گوگرد مایع در فرآیند تولید اسید سولفوریک که یک فرآیند پیچیده و مهم در صنایع فرآوری است از کوره استفاده می‌شود. در این فرآیند، گوگرد مایع به عنوان سوخت اصلی خط تولید عمل می‌کند. برای این منظور، از یک مشعل گوگرد استفاده می‌شود که سوخت گوگرد را به درون کوره تزریق می‌کند. کوره دارای یک یا چند مجرای ورودی اکسیژن است که از طریق بلوئر به آن وارد می‌شود. اکسیژن در این نقاط به گوگرد مایع تزریق می‌شود، سپس گوگرد در اثر سوختن در این ناحیه به اکسید تبدیل می‌شود. این فرایند اکسید کردن گوگرد مایع، یکی از مراحل اساسی در تولید انواع محصولات است که نیازمند کنترل دقیق دما و میزان اکسیژن موجود در کوره است تا فرآیند به صورت بهینه و کارآمد انجام شود.
دیگ بخار (بویلر)
در خط تولید کارخانه اسید سولفوریک، از بویلر های Fire-tube استفاده می‌شود که وظیفه مهمی در فرآیند دارند. ابتدا، این بویلر ها بخار لازم را برای کویل های ذوب فراهم می‌کنند. سپس وظیفه خنک کردن گازهایی که از فرایند تولید اسید سولفوریک به وجود می‌آیند را بر عهده دارند. این خنک کردن از جهت تنظیم دما و رساندن گازها به دمای مناسب برای ورود به لایه اول کنورتور انجام می‌شود. به این ترتیب، بویلر های Fire-tube در فرآیند تولید اسید سولفوریک نقش حیاتی دارند و از اهمیت بالایی برخوردارند.
کنورتور
کنورتور در یک کارخانه اسید سولفوریک، همانند قلبی است که وظیفه مهمی در فرایند تبدیل گاز SO2 به SO3 دارد. این دستگاه در بخشی از فرآیند تولید اسید سولفوریک نقش دارد و وظایف زیر را برعهده دارد:
- فراهم کردن بستر هایی که کاتالیست‌ها روی آنها قرار می‌گیرند، به منظور تسهیل و تسریع واکنش تبدیل SO2 به SO3.
- تنظیم و توزیع گازهای واکنشی در بسترهای کاتالیستی، تا این واکنش به طور بهینه صورت گیرد.
- جمع‌آوری و تنظیم گازهای خروجی این فرآیند، تا بتوان آنها را به مراحل بعدی انتقال داد و به دستاوردهای مورد نیاز برای تولید اسید سولفوریک دست یافت.
در کل، کنورتور یکی از مهمترین قسمت‌های کارخانه تولید اسید سولفوریک است که بر عملکرد و کارایی این فرآیند تأثیر مستقیم و قابل ملاحظه‌ای دارد.
کنورتورهای Carbon Steel
کنورتورهای از جنس کربن استیل، بخشی اساسی از تجهیزات در فرآیند تولید اسید سولفوریک هستند. این کنورتورها دارای بدنه‌هایی از کربن استیل هستند که قسمت‌های داخلی مانند ساپورت‌ها و صفحات بین طبقات، از مواد دیگری ساخته می‌شوند. ساپورت‌های مشبک که وظیفه نگهداری کاتالیست‌ها را بر عهده دارند، بر دوش ساپورت‌های ستونی درون کنورتور قرار می‌گیرند و همچنین به لبه بدنه داخلی کنورتور متصل می‌شوند. صفحات جداکننده طبقات نیز به همین ترتیب در کنوتور نصب می‌شوند. برای جلوگیری از نشت گاز بین طبقات، فواصل بین این صفحات با آزبست پوشیده می‌شوند. با این روش، کنورتورهای Carbon Steel در فرآیند تبدیل گازها با بهره‌گیری از ساختار و مواد متنوع، کارایی و عمر مفید بالایی را ارائه می‌دهند.
مبدل‌های حرارتی
در واحدهای اسید سولفوریک، وقتی SO2 به SO3 تبدیل می‌شود، انرژی گرمایی‌ای تولید می‌شود که باید بهینه استفاده شود تا به حداکثر راندمان واکنش برسد. این انرژی برای تولید بخار پرفشار از گوگرد سوز استفاده می‌شود و بخشی از آن نیز برای پیش‌گرم‌سازی گاز پروسه تولید مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واحدهای تولید اسید سولفوریک، بیشتر از انرژی حاصل از واکنش‌ها برای گرم کردن گازهای خروجی از برج خشک‌کن و گازهای بازگشتی از برج جذب انتقالی استفاده می‌شود. برای این کار، از مبدل‌های حرارتی گاز-گاز یا گاز-هوا استفاده می‌شود که درون مبدل‌های پوسته-لوله، مبدل‌های صفحه‌ای و یا نوع خاصی از مبدل‌ها در داخل تجهیزات مانند کنورتور قرار می‌گیرند.
برج‌های اسید
در بخش اسید قوی یک واحد تولید کارخانه اسید سولفوریک، معمولاً از سه نوع برج جذب استفاده می‌شود:
- برج‌های خشک‌کن: برای حذف رطوبت از گازهای خروجی استفاده می‌شود.
- برج‌های جذب: برای جذب مواد خاصی مانند گوگرد اکسید از گازهای خروجی به کار می‌روند.
- برج‌های استریپینگ: این برج‌ها در سیستم‌های متالوژیکی استفاده می‌شوند و در سیستم‌های گوگردسوز کاربرد چندانی ندارند.
کاتالیست
اولین کاتالیست‌های استفاده شده در صنعت برای تولید اسید سولفوریک از جنس پلاتین بودند که در سال ۱۹۰۱ معرفی شدند. اما این کاتالیست‌ها دارای مشکلاتی از جمله قیمت بالا و حساسیت به آلودگی شیمیایی بودند. با معرفی کاتالیست پنتا اکسید وانادیوم توسط شرکت BASF در سال ۱۹۱۵، که هزینه کمتری داشت و مقاومت بیشتری در برابر آلودگی شیمیایی، از جمله مواد خارج از کاتالیست داشت. کاتالیست‌های پلاتینی از صنایع تولید اسید سولفوریک حذف شدند. از آن زمان تاکنون، کاتالیست‌های مورد استفاده در صنعت اسید سولفوریک بر پایه پنتا اکسید وانادیوم هستند. تفاوت‌های این کاتالیست‌ها در نحوه ترکیبات افزودنی و ویژگی‌های فیزیکی آن‌هاست که تاثیر زیادی بر بازده و فشار بسترهای کنورتور دارد.
دمنده‌ها
در صنایع مختلف، از بلورهای متنوعی برای فشرده‌سازی گاز برای مقاصد فرایندی استفاده می‌شود. دو نوع رایج این بلورها عبارتند از بلورهای سانتریفیوژ و جابجایی مثبت. دستگاه‌های سانتریفیوژ به دلیل قابلیت طراحی چند مرحله‌ای، برای جریان‌های سیال با دبی بالا و فشارهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صنایع اسید سولفوریک، کمپرسورهای سانتریفیوژ یا دمنده‌ها برای فشرده‌سازی گازها کاربرد دارند. طراحان این دستگاه‌ها از طرح‌های متنوع و مواد مختلف برای ساخت استفاده می‌کنند تا بتوانند حجم زیادی از گاز را فشرده کرده و در برابر خوردگی و سایر عوامل محافظت کنند. در واحدهای اسید سولفوریک، از این دمنده‌ها برای گذراندن گازها استفاده می‌شود.
پمپ تانک
پمپ‌های تانک در واحدهای صنعتی وظایف مهمی دارند:
- ذخیره‌سازی اسید به مقدار لازم برای انجام فرایند‌های پروسه.
- ایجاد مکانی مناسب برای نصب پمپ‌ها که از آنها برای انتقال اسید بهره می‌برند.
- ایجاد حجم مورد نیاز برای فرایند Run Back.
طراحی پمپ‌های تانک با در نظر گرفتن این نکات بسیار حیاتی است. این تجهیزات با گرم‌ترین و غلیظ‌ترین اسیدهای موجود در واحد در تماس هستند، بنابراین ابعاد و جنس آنها باید به دقت انتخاب شوند تا بهترین عملکرد و مقاومت را در برابر شرایط سخت محیطی ارائه دهند.
خنک‌کن‌های اسید
در فرآیند جذب آب یا تری‌اکسید گوگرد توسط اسید سولفوریک، یک واکنش گرمازا رخ می‌دهد که منجر به افزایش دمای اسید خروجی از برج‌های خشک‌کن و جذب می‌شود. این افزایش دما نیازمند جذب گرما است و قبل از بازگشت اسید به برج، باید این گرما از آن خارج شود. برای این منظور، از اسید کولرها برای انتقال گرمای اضافی استفاده می‌شود.
جمع بندی
در طراحی و ساخت کارخانه‌های تولید اسید سولفوریک، اهمیت بالایی به انتخاب تجهیزات مناسب با قابلیت مقاومت در برابر گرما و خوردگی، انتقال بهره‌وری بالا در واکنش‌ها و استفاده از کاتالیست‌های بهینه برای افزایش سرعت و کیفیت واکنش‌ها داده می‌شود. بلوئرها با استفاده از مدل‌های متنوع مانند سانتریفیوژ و جابجایی مثبت، تجهیزات پمپ تانک با در نظر گرفتن ویژگی‌های مهمی مانند ذخیره اسید، نصب پمپ‌ها و فراهم آوردن حجم لازم برای اجرای فرآیند Run Back طراحی می‌شوند. همچنین، برای مدیریت گرمای تولید شده و افزایش دمای اسید خروجی، از اسید کولرها بهره می‌برند. این اجزای تجهیزات، با توجه به نیازهای خاص صنعت اسید سولفوریک، باید به دقت انتخاب و طراحی شوند تا بهره‌وری بالا و کاهش هزینه‌های تولید به دست آید.