Sterowanie w pętli zamkniętej w produkcji amoniaku

Amoniak to związek chemiczny powszechnie używany w przemyśle. Jest kluczowym składnikiem do produkcji nawozów i ważnym surowcem m.in. w przemyśle tworzyw sztucznych.

Popularną metodą produkcji amoniaku jest reforming parowy metanu. Surowcem jest w tym przypadku gaz ziemny. W procesie reformingu jest on wykorzystywany do produkcji wodoru, który następnie podczas reakcji syntezy łączy się z azotem z powietrza, tworząc amoniak. Wymaga to wysokich ciśnień i temperatur. Znaczący wkład w koszt produkcji wnosi też gaz ziemny. Dlatego na kolejnych etapach produkcji szuka się oszczędności. W tym celu monitoruje się i reguluje kluczowe zmienne procesowe.

Produkcję amoniaku rozpoczyna reakcja pary wodnej z metanem z gazu ziemnego, która zachodzi w obecności katalizatora na bazie niklu. Jej wynikiem jest gaz, będący mieszaniną tlenku węgla i wodoru. Pierwszy wpływa niekorzystnie na katalizator, zatem dąży się do jego ograniczenia. W tym celu zwiększa się dopływ pary wodnej, starając się zachować założony stosunek jej ilości do ilości tlenku węgla. Często jednak, żeby jeszcze skuteczniej chronić katalizator, zawyża się go. Produkcja pary wodnej jest głównym składnikiem kosztów produkcji amoniaku, więc jej nadmiarowe zużycie znacząco je zwiększa. Żeby je zmniejszyć, mierzy się stężenie węglowodorów w strumieniu gazu ziemnego i na tej podstawie reguluje się przepływ pary.

Miarą efektywności produkcji wodoru jest ilość metanu, dla którego nie zaszła pożądana reakcja. Monitoruje się ją zatem i na podstawie jej wartości reguluje parametry pracy instalacji pierwotnej, w której zachodzi reakcja pary wodnej z gazem ziemnym.

Azot wymagany, aby zaszła reakcja syntezy amoniaku, jest dostarczany do instalacji wtórnej wraz z zasilającym ją powietrzem. Jego ilość kontroluje się, by uzyskać gaz wyjściowy o stosunku wodoru do azotu wynoszącym optymalnie 3:1. Szacuje się, że regulując stosunek H2:N2 w zamkniętej pętli, można zwiększyć wydajność produkcji amoniaku o nawet kilka ton dziennie.