کاربرد آمونیاک در یخ‌سازی و سیستم‌های خنک کننده

آمونیاک یک ترکیب شیمیایی معدنی از نیتروژن و هیدروژن با فرمول NH₃ است. آمونیاک یک گاز بی‌رنگ با بوی مشخص تند است. از نظر زیستی، آن یک ماده زائد نیتروژنی معمول است و به نیازهای تغذیه‌ای موجودات زمینی به عنوان پیش‌ساز کودها کمک قابل‌توجهی می‌کند. حدود 70% آمونیاک تولیدی صنعتی برای ساخت کودها در اشکال و ترکیب‌های مختلف مانند اوره و دی‌آمونیوم فسفات استفاده می‌شود. آمونیاک در شکل خالص خود نیز مستقیماً به خاک اعمال می‌شود. آمونیاک در طبیعت تشکیل می‌شود و در محیط بین‌ستاره‌ای نیز شناسایی شده است.

آمونیاک به‌صورت زیستی در فرآیندی به نام تثبیت نیتروژن تولید می‌شود، اما حتی بیشتر از آن به‌صورت صنعتی توسط فرآیند هابر-بوش تولید می‌شود. این فرآیند با فراهم کردن کودهای ارزان به انقلاب کشاورزی کمک کرد. تولید صنعتی جهانی آمونیاک در سال 2021 به 235 میلیون تن رسید.

تاریخچه آمونیاک

تخمیر ادرار توسط باکتری‌ها باعث تولید محلول آمونیاک می‌شود؛ بنابراین ادرار تخمیر شده در دوران باستان برای شستن پارچه و لباس، برای از بین بردن موها از پوست‌ها در آماده‌سازی برای دباغی، به عنوان ماده ماندگار در رنگرزی پارچه و برای از بین بردن زنگ آهن استفاده می‌شد. همچنین توسط دندانپزشکان باستان برای شستن دندان‌ها استفاده می‌شد. این کاربردهای متنوع و جالب آمونیاک نشان می‌دهند که حتی در دوران باستان، مردم از ویژگی‌های شیمیایی خاص این ترکیب به خوبی استفاده می‌کردند.

آمونیاک به شکل نمک آمونیاک (نشادر)، برای کیمیاگران مسلمان اهمیت زیادی داشت که در کتاب سنگ‌ها که احتمالاً در قرن نهم نوشته شده و به جابربن حیان نسبت داده می‌شود، ذکر شده است. همچنین برای کیمیاگران اروپایی قرن سیزدهم اهمیت داشت و توسط آلبرتوس مگنوس ذکر شده است. در قرون وسطی، رنگرزها از ادرار تخمیر شده برای تغییر رنگ رنگ‌های گیاهی استفاده می‌کردند. در قرن پانزدهم، بسیلیوس والنتینوس نشان داد که آمونیاک می‌تواند توسط عمل آلکالی‌ها بر روی نمک آمونیاک بدست آید. در دوره‌ای بعد، وقتی نمک آمونیاک با تقطیر سم‌ها و شاخ‌های گاو و خنثی‌سازی کربنات حاصل با اسید هیدروکلریک به دست آمد، نام ‘روح شاخ خرگوش’ به آمونیاک اطلاق شد.

خرید آمونیاک در گرید مختلف

روش صنعتی برای تولید آمونیاک

فرآیند هابر-بوش اصلی‌ترین روش صنعتی برای تولید آمونیاک است. در این فرآیند نیتروژن اتمسفری (N₂) را به آمونیاک (NH₃) از طریق واکنش با هیدروژن (H₂) با استفاده از آهن فلزی ریز شده به عنوان کاتالیزور تبدیل می‌کند:

N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)

این واکنش در دماهای بالا (℃500-450) و فشارهای بالا (150-200 atm) انجام می‌شود. آهن به عنوان کاتالیزور برای سرعت بخشیدن به واکنش عمل می‌کند. این واکنش از نظر ترمودینامیکی در دمای اتاق مطلوب است، اما از نظر سینتیک به طور غیرقابل قبولی کند است. در دماهای بالا که کاتالیزورها به اندازه کافی فعال هستند تا واکنش به حالت تعادل برسد، واکنش به جای محصولات به سمت واکنش‌دهنده‌ها متمایل است. در نتیجه، فشارهای بالا برای پیش بردن واکنش به جلو مورد نیاز است.

خواص آمونیاک

آمونیاک یک گاز بی‌رنگ با بوی تند مشخص است. سبک‌تر از هوا است، چگالی آن 0.589 برابر چگالی هوا است. به دلیل پیوند هیدروژنی قوی بین مولکول‌ها به راحتی مایع می‌شود. آمونیاک گازی به مایع بی‌رنگی تبدیل می‌شود که در دمای ℃33.1- می‌جوشد و در دمای ℃77.7- به کریستال‌های بی‌رنگی منجمد می‌شود. داده‌های کمی در دماها و فشارهای بسیار بالا موجود است، اما نقطه بحرانی مایع-بخار در 405 کلوین و 11.35 مگاپاسکال رخ می‌دهد.

آمونیاک به راحتی در آب حل می‌شود. در محلول آبی، می‌توان آن را با جوشاندن خارج کرد. محلول آبی آمونیاک بازی است و ممکن است به عنوان آمونیاک آبی یا هیدروکسید آمونیوم توصیف شود. حداکثر غلظت آمونیاک در آب (محلول اشباع) دارای چگالی ویژه 0.880 است. آمونیاک مایع یک حلال یونی غیری آبی است که به طور گسترده‌ای مورد مطالعه قرار گرفته است. ویژگی برجسته آن توانایی حل کردن فلزات قلیایی برای تشکیل محلول‌های بسیار رنگی و رسانای الکتریکی حاوی الکترون‌های حل‌شده است.

کاربرد آمونیاک در خنک‌کننده

سردسازی با آمونیاک فرآیندی است که در آن آمونیاک (NH₃) به عنوان یک ماده خنک‌کننده برای جذب گرما از یک فضای مشخص و حفظ دماهای پایین‌تر استفاده می‌شود. این مکانیزم خنک‌کننده نه تنها از نظر انرژی کارآمد است، بلکه دوست‌دار محیط زیست نیز می‌باشد، و این امر آن را به انتخابی ایده‌آل برای صنایعی که نیاز به کنترل دمای ثابت دارند، مانند ذخیره‌سازی مواد غذایی و صنایع داروسازی تبدیل کرده است.

به دلیل خصوصیات تبخیر آمونیاک، این ترکیب به عنوان یک ماده خنک‌کننده بسیار مفید است. قبل از عمومی شدن کلروفلوئوروکربن‌ها (فریون‌ها یا CFCها) به طور گسترده‌ای استفاده می‌شد. پروتکل مونترال مقرر می‌کند که CFCها باید در کشورهای توسعه‌یافته تا سال 2000 و در کشورهای در حال توسعه تا سال 2010 حذف شوند. هیدروکلروفلوئوروکربن‌ها (HCFC) برای تاریخ‌های بعدی برنامه‌ریزی شده‌اند. از سال 1990، هیدروفلوئوروکربن‌های جایگزین “دوستدار اوزون” (HFC) در بازار ظاهر شدند. برخی از اعضای پرکاربرد این خانواده عبارتند از R134a، R404A، R507a، R407C و R410A. این ترکیبات، مواد ساخته‌شده توسط انسان هستند که توان گرمایش جهانی (GWP) بسیار بالایی دارند. این موضوع آن‌ها را طبق پروتکل کیوتو، که در فوریه 2005 لازم‌الاجرا شد، در دسته‌بندی “گازهای گلخانه‌ای” قرار می‌دهد.

این کاستی‌ها باعث شده‌اند که علاقه مجددی به مبردهای طبیعی مانند آمونیاک، دی‌اکسید کربن، هیدروکربن‌ها، آب و هوا ایجاد شود. در میان این‌ها، آمونیاک حتی در دوران اوج هالوکربن‌ها نیز همواره نقش پایداری ایفا کرده است. آمونیاک به طور مؤثر در فرآوری غذا، سردخانه‌ها، صنایع شیمیایی و سایر صنایع مورد استفاده قرار گرفته است.

آمونیاک بدون آب به دلیل کارایی انرژی بالا و هزینه کم در کاربردهای سردسازی صنعتی و زمین‌های یخی هاکی به طور گسترده‌ای استفاده می‌شود. اما به دلیل سمی بودن و نیاز به اجزای مقاوم در برابر خوردگی، استفاده خانگی و مقیاس‌های کوچک آن محدود است. علاوه بر استفاده در سیستم‌های سردسازی تراکم بخار مدرن، به همراه هیدروژن و آب در یخچال‌های جذبی نیز استفاده می‌شود. چرخه کالینا که برای نیروگاه‌های زمین‌گرمایی از اهمیت فزاینده‌ای برخوردار است، به دامنه جوش گسترده مخلوط آمونیاک-آب وابسته است. مایع خنک‌کننده آمونیاک همچنین در رادیاتورهای ایستگاه فضایی بین‌المللی برای تنظیم دمای داخلی و انجام آزمایش‌های وابسته به دما استفاده می‌شود. آمونیاک در طول فرآیند تحت فشار کافی باقی می‌ماند تا به صورت مایع باقی بماند. سیستم‌های خنک‌کننده آمونیاک تک‌فاز همچنین به الکترونیک قدرت در هر جفت از آرایه‌های خورشیدی خدمت می‌کنند.

چرخه تبرید با آمونیاک

سیستمهای یخسازی مبتنی بر آمونیاک از چرخه تراکم بخار استفاده میکنند که شامل چهار مرحله اصلی است:

تراکم: گاز آمونیاک توسط کمپرسور فشرده شده، دما و فشار آن افزایش مییابد.

چگالش: گاز داغ به کندانسور منتقل میشود و با از دست دادن گرما به مایع تبدیل میشود.

انبساط: مایع آمونیاک از طریق شیر انبساط، وارد تبخیرکننده میشود و فشار آن به‌طور ناگهانی کاهش مییابد.

تبخیر: آمونیاک در تبخیرکننده تبخیر شده و با جذب گرمای محیط، سرمایش ایجاد میکند. سپس گاز آمونیاک مجدداً به کمپرسور بازمیگردد.

در سیستمهای صنعتی، آمونیاک معمولاً به دو روش برای تولید یخ استفاده میشود:

سیستم غیرمستقیم (با استفاده از محلول نمک/آب یا برین)

آمونیاک در تبخیرکننده، برین (آب نمک سرد) را تا دمای زیر صفر(℃20-) خنک میکند.

برین سردشده به مخازن حاوی آب شیرین پمپ میشود و با گردش حول قالب‌های یخ، آب را منجمد میکند.

این روش از تماس مستقیم آمونیاک با آب جلوگیری کرده و ایمنی سیستم را افزایش میدهد.

سیستم مستقیم

در برخی سیستمهای قدیمی، آمونیاک مستقیماً در لوله‌های تبخیرکننده جریان مییابد و با جذب گرمای آب، آن را منجمد میکند.

این روش به علت سمی بودن آمونیاک و خطر نشت، امروزه کمتر استفاده میشود.

هر سیستم برای نیازهای خاص سردسازی طراحی شده و عملکرد را بر اساس نیازهای صنعت بهینه می‌کند.

کاربردهای صنعتی

از آمونیاک در تولید یخ برای مصارف زیر استفاده میشود:

صنایع غذایی:  حفظ کیفیت و ایمنی مواد غذایی (ماهی، گوشت، و محصولات منجمد) با سردسازی کارآمد.

ساخت‌وساز:  خنک کردن بتن برای جلوگیری از ترک خوردگی.

صنایع شیمیایی:  فرایندهای سرمایشی ویژه.

داروسازی : حفظ پایداری و کیفیت داروها و واکسن‌ها.

ورزش‌های یخی: ارائه یخ با کیفیت برای میدان‌های هاکی و زمین‌های یخی.

مزایا آمونیاک

محیط زیستی: آمونیاک طبیعی است و از نظر زیست‌محیطی سازگار محسوب می‌شود زیرا پتانسیل تخریب لایه اوزون (ODP) برابر با صفر و پتانسیل گرمایش جهانی(GWP)  کمتر از ۱ دارد. این ویژگی دلیل اصلی علاقه بیشتر به آمونیاک به‌عنوان یک خنک‌کننده است.

بهره‌وری انرژی: در دماهای تبخیر و تقطیر یکسان، آمونیاک بالاترین ضریب عملکرد (COP) را در بین همه خنک‌کننده‌ها ارائه می‌دهد، یعنی حدود %3-10 که این ویژگی منجر به مصرف کمتر انرژی می‌شود و بنابراین، به‌طور غیرمستقیم در کنترل انتشار دی‌اکسید کربن که یک محصول مستقیم از نیروگاه‌های برق است، کمک می‌کند.

خواص عالی ترمودینامیکی: دمای بحرانی بالا (℃132) امکان ضریب عملکرد (COP) بالاتر از جمله دماهای تقطیر بالای مورد نیاز برای پمپ‌های حرارتی را فراهم می‌کند. از آنجا که گرمای ویژه آمونیاک در حالت مایع و بخار تقریباً چهار برابر و گرمای نهان آن حدود شش برابر R-22 است، ضریب انتقال حرارت در تبخیر و تقطیر آمونیاک بین 2 تا 4 برابر بیشتر از R-22 می‌باشد. به دلیل گرمای نهان بالا و چگالی بخار زیاد، سیستم آمونیاکی برای همان ظرفیت به لوله‌کشی کوچکتری نیاز دارد.

سبک‌تر از هوا: بخار آمونیاک 1.7 برابر سبک‌تر از هوا است و بنابراین در صورت نشت، به سمت بالا حرکت خواهد کرد.

تشخیص آسان: بوی آمونیاک قبل از رسیدن خطر باعث جلب توجه می‌شود، زیرا حضور آمونیاک در هوا در غلظت 5ppm قابل تشخیص است، مقداری که 100 برابر کمتر از حد تحمل است. در مقابل، مبردهای فلوئوردار بی‌بو هستند و تنها با استفاده از دستگاه نشت‌یاب قابل تشخیص هستند. بوی تند آمونیاک افراد را تشویق می‌کند تا قبل از رسیدن به غلظت‌های مضر، منطقه نشت را ترک کنند.

قیمت پایین: قیمت آمونیاک به ازای هر کیلوگرم 6-8 برابر کمتر از R–22 است. علاوه بر این، آمونیاک به دلیل چگالی مایع پایین‌تر که نصف  R–22 است نیز ترجیح داده می‌شود. در مقایسه با HFCها، تفاوت قیمت حتی بیشتر است، به‌ویژه در کشورهایی که مالیات‌های زیست‌محیطی بالایی دارند.

معایب آمونیاک

آمونیاک به‌سختی قابل اشتعال است؛ تنها در غلظت‌های بالا (حدود %15-28) و تحت شرایط بسیار محدود، همراه با یک منبع شعله خارجی مداوم، قابلیت اشتعال دارد.

حد آستانه (TLV) آمونیاک 25ppm است. علائم مسمومیت در غلظت 2500ppm می‌تواند رخ دهد که ممکن است خطرناک باشد. سمیت تنها نقطه ضعف واقعی آمونیاک است. با این حال، غلظت 5ppm قابل بوییدن است و بوی تند آن انسان‌ها را تا حدی نگران می‌کند که آن‌ها را وادار به ترک محل می‌نماید.

در صورت وجود ناخالصی (مانند رطوبت)، ممکن است بلعث خوردگی شود و به تجهیزات آسیب برساند. همچنین ر نصب سیستمهای تشخیص نشت و آموزش پرسنل ضروری است.

سیستم‌های خنک‌کننده آمونیاکی به دلیل مسائل ایمنی مشمول مقررات و استانداردهای قانونی هستند. با این حال، چنین مقررات و استانداردهایی برای سایر خنک‌کننده‌ها نیز وجود دارد. اگر این مقررات و استانداردها به‌طور دقیق اجرا شوند و همراه با یک برنامه آموزشی مناسب برای کارکنان باشند، سطح خطر می‌تواند به‌طور چشمگیری کاهش یابد.

نکات ایمنی هنگام کار با آمونیاک

اثر سمی آمونیاک به میزان غلظت آن در اتمسفر و مدت زمان قرار گرفتن در معرض آن بستگی دارد.

سازمان ایمنی و بهداشت حرفه‌ای ایالات متحده (OSHA) حد مجاز مواجهه 15 دقیقه‌ای با آمونیاک گازی را 35ppm در هوای محیط و حد مجاز مواجهه 8 ساعته را 25ppm حجمی تعیین کرده است. موسسه ملی ایمنی و بهداشت حرفه‌ای (NIOSH) اخیراً حد مجاز آسیب آنی به سلامتی (IDLH) (سطحی که یک کارگر سالم می‌تواند به مدت 30 دقیقه بدون تحمل اثرات غیرقابل بازگشت سلامتی در معرض قرار گیرد) را از 500ppm به 300ppm کاهش داده است، بر اساس تفاسیر محافظه‌کارانه‌تری از تحقیقات اصلی در سال 1943، حد مجاز 1 ساعته IDLH همچنان 500ppm است. سایر سازمان‌ها سطوح مواجهه مختلفی دارند. استانداردهای نیروی دریایی ایالات متحده [U.S. Bureau of Ships 1962] حداکثر غلظت‌های مجاز (MACs) برای مواجهه پیوسته (60 روز) 25ppm است؛ برای مواجهه 1 ساعته 400ppm است.

بخار آمونیاک بوی تند، تحریک‌آمیز و زننده‌ای دارد که به عنوان هشدار برای مواجهه‌های خطرناک احتمالی عمل می‌کند. متوسط آستانه بویایی آن 5ppm است، که بسیار پایین‌تر از هرگونه خطر یا آسیب است. مواجهه با غلظت‌های بسیار بالا از آمونیاک گازی می‌تواند منجر به آسیب‌های ریوی و مرگ شود. آمونیاک در ایالات متحده به عنوان گاز غیرقابل اشتعال تنظیم شده است، اما تعریفی از ماده‌ای که به صورت استنشاقی سمی است را دارا می‌باشد و هنگامی که در مقادیر بیشتر از 3500 گالن ایالات متحده حمل می‌شود، نیاز به مجوز ایمنی خطرناک دارد.

اگرچه مبردهای جدیدی مانند هیدروفلوروکربنها (HFC) توسعه یافتهاند، اما آمونیاک به دلیل بازدهی بالا و سازگاری زیست محیطی، همچنان در سیستمهای صنعتی ترجیح داده میشود. امروزه با پیشرفت فناوری، سیستمهای هیبریدی (ترکیب آمونیاک با CO₂) نیز برای افزایش ایمنی مورد استفاده قرار میگیرند.

آمونیاک به عنوان یک مبرد طبیعی و کارآمد، در یخسازی صنعتی جایگاه ویژه‌ای دارد. با رعایت استانداردهای ایمنی و استفاده از سیستمهای غیرمستقیم، میتوان از خطرات آن کاست و بهره‌وری بالایی به دست آورد.