การศึกษาการสังเคราะห์แอมโมเนียบนตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทเหล็กโดยการใช้แบบจำลอง Aspen Plus®

Abstract

บทคัดย่อ

สภาวะที่เหมาะสมสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนียบนตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทเหล็กได้ศึกษาด้วยแบบจำลอง ASPEN PLUS^® ในงานวิจัยนี้ โดยมีสารตั้งต้นเป็นก๊าซไนโตรเจนและไฮโดรเจนจากก๊าซสังเคราะห์ที่มีอัตราส่วนของไฮโดรเจนต่อ คาร์บอนมอนอกไซด์เท่ากับสามต่อหนึ่ง ซึ่งก๊าซสังเคราะห์นี้ได้มาจากปฏิกิริยาสตีมรีฟอร์มมิงของวัตถุดิบที่หาได้ง่ายใน ประเทศไทย โรงงานอุตสาหกรรมการผลิตแอมโมเนียได้จำลองขึ้นโดยการใช้เตาปฏิกรณ์ประเภทแบบเบดนิ่งชนิดเอเดียแบติกโดย ใช้วิธี Sauve-Redlich-Kwong Property ก๊าซตั้งต้นประกอบด้วยไฮโดรเจน 59.4%, ไนโตรเจน 19.8%, คาร์บอนมอนอกไซด์ 19.8% และ อาร์กอน 1.0% โดยโมล ผลการทดลองพบว่าอุณหภูมิและความดันที่เหมาะสมกับการสังเคราะห์แอมโมเนียด้วยวิธี Haber คือ 231 °C และ 150 บรรยากาศตามลำดับ เนื่องจากการเพิ่มความดันจะทำให้สภาวะสมดุลถูกเลื่อนไปข้างหน้าส่งผลให้ได้ปริมาณ แอมโมเนีย ที่มากขึ้น เช่นเดียวกันกับการลดอุณหภูมิ อย่างไรก็ดีการลดอุณหภูมิอย่างไม่เหมาะสมจะส่งผลกับอัตราการเกิดปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทเหล็กได้เลือกมาใช้ในการทดลองนี้ เนื่องจากได้รับความเชื่อถือว่ามีความสามารถที่จะเร่งอัตราเร็วของ ปฏิกิริยานี้ได้โดยการไปช่วยลดพลังงานก่อกัมมันต์ ที่สภาวะดังกล่าวนี้ จะผลิตแอมโมเนียได้ 21.9×10² กิโลโมลต่อชั่วโมง ที่อัตรา การไหลของไฮโดรเจนและไนโตรเจนเท่ากับ 11.9×10³ และ 39.6×10² กิโลโมลต่อชั่วโมง ตามลำดับ

คำสำคัญ : ASPEN PLUS^®, การสังเคราะห์แอมโมเนีย, ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทเหล็ก, ก๊าซสังเคราะห์

Abstract

Optimal operating conditions of ammonia synthesis over iron catalyst were studied using ASPEN PLUS^®. Reactant of this reaction was assumed to be N₂ and H_{2 from synthesis gas which could be obtained from steam reforming of available feedstocks in Thailand with ratio of H2/CO = 3:1. The ammonia plant simulation was based on an adiabatic plug-flow reactor (PFR) and modeled using Sauve-Redlich-Kwong Property Method. The feed composition was fixed at 59.4% H2, 19.8% N2, 19.8% CO and 1.0% by mole Ar. Optimal temperature and pressure for ammonia synthesis via the Haber process were found to be at 231 °C and 150 atm, respectively, since an increase of pressure would cause the equilibrium position to move forward resulting in a higher yield of ammonia, as well as decreasing the temperature. However, inappropriately low temperature would show a negative effect on rate of the reaction. Iron catalyst was selected in this study as it is believed to speed up the reaction by lowering the activation energy. To produce 21.9×10² kmol/hr of NH3, the system required a feed of 11.9×10³ and 39.6×10² kmol/hr of H2 and N2, respectively.}

Keywords : ASPEN PLUS^®, Ammonia synthesis, Iron catalyst, Synthesis Gas