अमोनिया का औद्योगिक रूप से निर्माण कैसे किया जाता है?

हेबर -बॉश प्रक्रिया उच्च दबाव और तापमान पर लौह उत्प्रेरक की उपस्थिति में नाइट्रोजन और हाइड्रोजन गैसों पर प्रतिक्रिया करके अमोनिया का प्रोडक्शन करती है। हेबर -बॉश प्रक्रिया का उपयोग औद्योगिक सेटिंग्स में अमोनिया उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। इस अत्यधिक ऊर्जा-गहन विधि को सर्वोत्तम उपज प्राप्त करने के लिए प्रतिक्रिया की स्थिति का सावधानीपूर्वक मैनेजमेंट करना चाहिए।

 ज्यादातर लोग अमोनिया को क्लीनर और नमक की तीखी गंध से जोड़ते हैं। अमोनिया (रासायनिक सूत्र - एनएचजेड) मानव जाति के लिए ज्ञात सबसे आम रसायनों में से एक है। यह सुविधाजनक है और अन्य मूल्यवान प्रोडक्ट्स, जैसे कि फ़र्टिलाइज़र और पॉलिमर बनाने के लिए उपयोग किया जाता है। 

बड़े पैमाने पर अमोनिया गैस का निर्माण बड़े पैमाने पर सुविधाओं या संयंत्रों में होता है। अमोनिया का प्रोडक्शन 1946 से वार्षिक रूप से किया जाता रहा है और इसका प्रोडक्शन 2022 में 150 मिलियन टन तक पहुंचने की उम्मीद है। यह इसे दुनिया में सबसे अधिक कृत्रिम रूप से उत्पादित रसायनों में से एक बनाता है। चीन और रूस वर्तमान में उच्चतम वार्षिक प्रोडक्शन दर वाले दो देश हैं।

बढ़ती जनसंख्या के कारण अमोनिया और अमोनिया युक्त वस्तुओं में नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है। इसने अमोनिया प्रोडक्शन प्रक्रियाओं में कई बदलाव किए हैं। आइए देखें कि आधुनिक उद्योग कैसे विकसित हुआ है।

क्या आप जानते हैं?

दुनिया भर में प्रतिवर्ष निर्मित होने वाली अमोनिया की मात्रा को 2021 में 235 मिलियन टन पर कैप किया गया था, जो अब तक का उच्चतम स्तर है। इसके अलावा, उत्पादित अमोनिया का 80% फ़र्टिलाइज़र बनाने के लिए प्रयोग किया जाता है।

अमोनिया - महत्व और उपयोग

अमोनिया को आवश्यक प्रोडक्ट्स के प्रोडक्शन के लिए आवश्यक कई यौगिकों का निर्माण खंड माना जाता है।

• नाइट्रोजन आधारित फ़र्टिलाइज़र: अमोनिया सबसे सुलभ नाइट्रोजन स्रोतों में से एक है। इस प्रकार, उत्पादित अमोनिया का लगभग 80% यूरिया जैसे
  नाइट्रोजन-आधारित फ़र्टिलाइज़र का प्रोडक्शन करने के लिए उपयोग किया जाता है, क्योंकि नाइट्रोजन पौधों की वृद्धि के लिए महत्वपूर्ण है।
• प्रशीतन और प्लास्टिक निर्माण: फ़र्टिलाइज़र के अलावा, अमोनिया का उपयोग प्रशीतन और प्लास्टिक, सिंथेटिक फाइबर, डाई और अन्य मूल्यवान रसायनों के निर्माण के लिए भी किया जाता है।
• अपशिष्ट जल उपचार और शुद्धिकरण: इसका उपयोग कॉस्मेटिक उद्योग में अपशिष्ट जल उपचार और शुद्धिकरण में और कुछ फार्मास्यूटिकल्स के प्रोडक्शन में भी किया जाता है।

अमोनिया प्रोडक्शन का इतिहास

अमोनिया का प्रोडक्शन पूर्व-विश्व युद्ध 1 युग का है। हालांकि प्रयोगशाला में अमोनिया का प्रोडक्शन करने के लिए कई तरीके मौजूद थे, जैसे कि एडोल्फ फ्रैंक और निकोडेम कारो द्वारा विकसित साइनामाइड विधि, वे बहुत अक्षम थे। इस प्रकार इस युग में आर्थिक रूप से अमोनिया का प्रोडक्शन करने की प्रक्रिया का अभाव था।

फ्रिट्ज हैबर और कार्ल बॉश, दो प्रसिद्ध जर्मन वैज्ञानिकों ने औद्योगिक पैमाने पर अमोनिया का प्रोडक्शन करने के लिए पहला तरीका विकसित किया। उनकी प्रक्रिया को उनके सम्मान में उनके नाम पर रखा गया था और इसे 'हैबर-बॉश' प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है।

हैबर-बॉश विकसित किया गया था और पहली बार 20वीं सदी में इस्तेमाल किया गया था। इस प्रक्रिया में पूर्व-निर्धारित तापमान, दबाव और धातु उत्प्रेरक की उपस्थिति जैसी शर्तों के एक निर्दिष्ट सेट के तहत हाइड्रोजन के साथ प्रतिक्रिया करके वायुमंडलीय नाइट्रोजन के साथ अमोनिया का प्रोडक्शन शामिल था।

 प्रक्रिया के लिए आवश्यक हाइड्रोजन भाप सुधार के माध्यम से प्राप्त की जाती है। अमोनिया (एनएचजेड) का प्रोडक्शन करने के लिए इस हाइड्रोजन को फिर नाइट्रोजन के साथ प्रतिक्रिया दी जाती है। 

पहला अमोनिया प्रोडक्शन संयंत्र 19 सितंबर 1913 को Oppau, जर्मनी में खोला गया था, जिसकी प्रोडक्शन क्षमता 30 मीट्रिक टन प्रति दिन थी।

अमोनिया प्रोडक्शन - पारंपरिक तरीके

अधिकांश पारंपरिक तरीके लोकप्रिय हैबर-बॉश प्रक्रिया पर आधारित हैं। प्रक्रिया के लिए आवश्यक नाइट्रोजन और हाइड्रोजन विभिन्न तरीकों का उपयोग करके उत्पादित किए जाते हैं:

1. कोयले के द्वारा - चीन या रूस जैसे एशियाई देशों में कोयला ऊर्जा प्रोडक्शन का प्राथमिक स्रोत है। अमोनिया संश्लेषण के लिए आवश्यक ऊर्जा की आपूर्ति कोयला जलाने से होती है। कोयले को कोयला गैस में परिवर्तित किया जाता है और आगे अमोनिया का प्रोडक्शन करने के लिए संश्लेषित किया जाता है।

2. प्राकृतिक गैस द्वारा - इस विधि में, मीथेन या प्राकृतिक गैस भाप और हवा के साथ प्रतिक्रिया करके हाइड्रोजन, नाइट्रोजन और CO2, और H2O को उप-उत्पाद के रूप में उत्पन्न करती है। अमोनिया प्रोडक्शन के लिए आपूर्ति के रूप में हाइड्रोजन और नाइट्रोजन का उपयोग किया जाता है।

मुख्य नकारात्मक पक्ष आर्गन जैसी अशुद्धियों का प्रोडक्शन है, जो मशीनरी को नुकसान पहुँचाती है। इस प्रकार, इसके उप-प्रोडक्ट्स से अमोनिया को अलग करने के लिए एक अलग फिल्ट्रेशन और कन्डेंसिंग प्लांट की आवश्यकता होती है।

3. जल-इलेक्ट्रोलिसिस और वायु सेपरेशन द्वारा - इस विधि में, आवश्यक नाइट्रोजन वायु सेपरेशन के माध्यम से प्राप्त की जाती है, और आवश्यक हाइड्रोजन का प्रोडक्शन जल विद्युत अपघटन द्वारा किया जाता है। नाइट्रोजन का वायु सेपरेशन क्रायोजेनिक अवशोषण या सोखना प्रक्रियाओं द्वारा किया जाता है।

उपर्युक्त प्रक्रियाओं की तुलना में औद्योगिक पैमाने पर अमोनिया का प्रोडक्शन करने के लिए यह विधि अधिक किफायती है।

इलेक्ट्रोकेमिकल विधि द्वारा अमोनिया का प्रोडक्शन

यह अमोनिया संश्लेषण विधि हैबर-बॉश प्रक्रिया पर आधारित प्रणालियों की तुलना में बहुत सरल और आसान है। साथ ही, इस प्रक्रिया में बेहतर ऊर्जा उपयोग होता है, क्योंकि यह पिछले तरीकों की तुलना में लगभग 20% कम ऊर्जा का उपयोग करता है।

 इस पद्धति में एक साधारण कैथोड, एनोड और इलेक्ट्रोलाइट परत सेटअप शामिल है। एनोड को हाइड्रोजन की आपूर्ति की जाती है, और कैथोड को नाइट्रोजन की आपूर्ति की जाती है। 

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया के कारण, कैथोड पर नाइट्रोजन अमोनिया देने के लिए एनोड पर जारी हाइड्रोजन आयनों के साथ प्रतिक्रिया करता है। चूंकि प्रक्रिया निष्पादित करने के लिए सीधी है, यह मशीनरी निवेश और रखरखाव लागत को कम करती है और सिस्टम में जटिलता को कम करती है।

प्रक्रिया की दक्षता उपयोग किए गए इलेक्ट्रोलाइट के प्रकार पर निर्भर करती है।

वर्तमान में, चार प्रकार के इलेक्ट्रोलाइट्स बाजार में उपलब्ध हैं: तरल, पिघला हुआ, मिश्रित और ठोस।

LiClO4 (टेट्राहाइड्रोफ्यूरान में 0.2 M) जैसे तरल इलेक्ट्रोलाइट कमरे के तापमान और दबाव पर आसानी से काम कर सकते हैं, जिससे लगभग 58-60% दक्षता मिलती है।

2. Li3N में घुले LiCl या KCl जैसे पिघले हुए इलेक्ट्रोलाइट्स 300-700°C के तापमान पर काम कर सकते हैं और 72-74% की दक्षता दर प्रदान करते हैं।

3. सम्मिश्र इलेक्ट्रोलाइट्स जैसे LiCO3, LiAlO2 और CeO2 को Sm2O3 के साथ डोप किया गया जिसमें एक आयनिक संवाहक चरण और एक अतिरिक्त चरण मुख्य परत के साथ सैंडविच होता है। यह इलेक्ट्रोलाइट के रासायनिक और थर्मल गुणों में सुधार करना है।

इस प्रकार के इलेक्ट्रोलाइट्स लगभग 400 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर काम करते हैं।

4. सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स पर्कोव्साइट्स, फ्लोराइट्स या पाइरोक्लोरस का उपयोग कर सकते हैं। ये इलेक्ट्रोलाइट्स कमरे के तापमान से लेकर 800 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में काम कर सकते हैं, जिससे 75% की दक्षता दर मिलती है।

हालांकि, इन इलेक्ट्रोलाइट्स का नकारात्मक पक्ष यह है कि उनके पास कम संरचनात्मक स्थिरता और बहुत अधिक सिंटरिंग तापमान (लगभग 1700 डिग्री सेल्सियस) है।

थर्मोकेमिकल चक्र द्वारा अमोनिया का प्रोडक्शन

इस प्रोडक्शन विधि में दो महत्वपूर्ण कदम शामिल हैं: कमी (नाइट्रोजन की सक्रियता) और भाप-हाइड्रोलिसिस (अमोनिया प्रोडक्शन)।

अन्य प्रक्रियाओं के विपरीत, इस पद्धति के लिए किसी विशेष स्थिति या किसी उत्प्रेरक की उपस्थिति की आवश्यकता नहीं होती है और इसे वायुमंडलीय दबाव पर आसानी से किया जा सकता है, जिससे यह सुविधाजनक हो जाता है।

 साथ ही, इस विधि में शुद्ध हाइड्रोजन की आवश्यकता नहीं होती है और ऊर्जा की खपत को कम करने के लिए कार्बोनाइज्ड विधि का उपयोग किया जा सकता है। सिस्टम आवश्यक परिस्थितियों में संचालित होता है और 70% तक दक्षता प्रदान कर सकता है। 

इस प्रक्रिया का सबसे बड़ा नुकसान ऑपरेटिंग तापमान है, जो अन्य प्रक्रियाओं की तुलना में बहुत अधिक है। यह प्रक्रिया को बहुत सीमित कर देता है।

अमोनिया प्रोडक्शन के आधुनिक तरीके 

आधुनिक अमोनिया प्रोडक्शन में प्यूरीफायर प्रक्रिया शामिल है। बढ़ती पर्यावरणीय चेतना के कारण, प्रोडक्शन प्रक्रियाएँ ऊर्जा-कुशल और पर्यावरण के अनुकूल बन गई हैं।

1. MW केलॉग, जिसे MWK के नाम से जाना जाता है, ने हैबर और बॉश के बाद अमोनिया प्रोडक्शन में पहली क्रांति लाई। 

उनका टेक्सास सिटी अमोनिया संयंत्र अच्छी तरह से जाना जाता है। संयंत्र एक एकल ट्रेन डिजाइन के कारण लोकप्रिय हुआ जिसने इसे ऊर्जा की खपत और अमोनिया प्रोडक्शन दरों के बीच उचित संतुलन प्रदान किया। एकल ट्रेन प्रणाली का विचार तब क्रांतिकारी था, और इसने टीम को उनके लिए कई पुरस्कार सुरक्षित करने में मदद की।

यह संयंत्र 1960 के दशक में 544 मीट्रिक टन प्रति दिन की क्षमता के साथ प्रमुख अमोनिया उत्पादकों में से एक था।

2. नए अमोनिया प्रोडक्शन उद्योगों में ज्यादातर केबीआर (केलॉग ब्राउन एंड रूट), अमोनिया कैसले आदि द्वारा विकसित तकनीकों पर आधारित संयंत्र हैं।

• KBR तकनीक पर आधारित संयंत्रों में एक प्राथमिक सुधारक, एक तरल नाइट्रोजन धोने का प्यूरीफायर, एक हीटिंग बॉयलर, एक एकीकृत चिलर और एक अमोनिया संश्लेषण कनवर्टर शामिल हैं। ये संयंत्र अविश्वसनीय रूप से कुशल हैं और 28 GJ/मीट्रिक टन जितनी कम ऊर्जा की खपत कर सकते हैं।

• इन संयंत्रों में उपयोग किए जाने वाले प्राथमिक सुधारक पारंपरिक डिजाइनों की तुलना में बहुत छोटे होते हैं। यह अतिरिक्त हवा के उपयोग को कम करने और भार को द्वितीयक सुधारकों को स्थानांतरित करने में मदद करता है।

• क्रायोजेनिक प्यूरीफायर कक्षों में एक कंडेनसर, डीड, एफ्लुएंट एक्सचेंज कॉलम और रेक्टीफायर कॉलम शामिल हैं। यह किसी भी प्रकार की परमाणु स्तर की अशुद्धियों जैसे सीएच 4 या कार्बन मोनोऑक्साइड और अन्य अशुद्धियों को संश्लेषण गैस से हटा देता है। साथ ही, यह मेकअप गैस में नाइट्रोजन: हाइड्रोजन अनुपात को बनाए रखने में मदद करता है।

• अमोनिया कैसले की तकनीक पर आधारित पौधों में उत्प्रेरक बिस्तर में एक असाधारण अक्षीय-रेडियल तकनीक शामिल है। यह पूरी प्रक्रिया में बहुत कम दबाव की गिरावट बनाने में मदद करता है और पौधे को उच्च और निम्न तापमान दोनों पर प्रयोग करने योग्य बनाता है। ऐसे संयंत्र प्रतिदिन 2000 मीट्रिक टन तक प्रोडक्शन कर सकते हैं।

निष्कर्ष:

अमोनिया हमारे दैनिक जीवन में एक महत्वपूर्ण यौगिक है। हरी सब्जियों के प्रोडक्शन में एक आवश्यक भूमिका निभाने से लेकर उन सब्जियों को बनाए रखने के लिए आवश्यक प्रशीतन तक, हम जो दवाएं लेते हैं, जो कपड़े हम पहनते हैं, हम सभी को किसी न किसी समय प्रोडक्शन के लिए अमोनिया की आवश्यकता होती है।

पिछले कुछ दशकों में अमोनिया के प्रोडक्शन के तरीके नाटकीय रूप से बदल गए हैं और प्रोडक्शन प्रक्रियाएं अधिक कुशल और पर्यावरण के अनुकूल हो गई हैं।

फ्रिट्ज हैबर और कार्ल बॉश ने अमोनिया प्रोडक्शन में सबसे पहले विकास किया। इसे MW केलॉग, अमोनिया कैसले, केबीआर, आदि जैसी कंपनियों द्वारा आगे बढ़ाया गया।
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