معرفی

معاونت داخلی مؤسسه دانش‌بنیان برکت در راستای بومی‌سازی فناوری خالص‌سازی نیتروژن در طرح «تولید نیتروژن به روش نیتروپلاس» سرمایه‌گذاری کرده‌است. 

نیتروپلاس یک روش نوین و کارآمد برای تولید نیتروژن با خلوص بالا است که بر پایه فناوری جذب سطحی (¹PSA) بنا شده است. در این روش، از جاذب‌های کربنی برای جداسازی مولکول‌های نیتروژن از سایر مولکول‌های موجود در هوا، مانند اکسیژن، استفاده می‌شود. نیتروپلاس یک راه حل ایده آل برای تولید نیتروژن خالص با راندمان بالا و هزینه کم است. این روش به دلیل مزایای متعددی که دارد، به طور فزاینده‌ای در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فرآیند

1. هوای فشرده از طریق یک دریچه ورودی به داخل دستگاه نیتروژن ساز نیتروپلاس هدایت می‌شود.
2. هوا از دو بستر جاذب کربنی عبور می‌کند.
3. مولکول‌های اکسیژن به دلیل تمایل بیشتر به جاذب‌های کربنی، به آنها جذب می‌شوند.
4. مولکول‌های نیتروژن که تمایل کمتری به جذب دارند، از بسترها عبور کرده و نیتروژن خالص را تشکیل می‌دهند.
5. پس از اشباع شدن بستر اول، فرایند جداسازی توسط بستر دوم انجام می‌شود و بستر اول وارد مرحله احیا می‌شود.
6. در مرحله احیا، فشار بستر اول کاهش می‌یابد و مولکول‌های اکسیژن از آن جدا شده و تخلیه می‌شوند.
7. این چرخه به طور مداوم بین دو بستر تکرار می‌شود و نیتروژن خالص با ظرفیت و خلوص مورد نظر تولید می‌شود.

مشاهده فرآیند دقیق PSA در آدرس‌های زیر:

• لینک 1
• لینک 2

مزایای روش نیتروپلاس

• راندمان بالا و مصرف انرژی کم
• خلوص نیتروژن بالا (تا 99.99%)
• قابلیت تولید نیتروژن با ظرفیت‌های مختلف
• سادگی و سهولت استفاده
• قابلیت نصب و راه‌اندازی سریع
• نیاز به تعمیر و نگهداری کم
• سازگاری با محیط زیست

کاربردها

نیتروژن به دلیل خواص منحصر به فرد خود، کاربردهای بسیار متنوع و گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد.

• صنایع نفت و گاز:
  • تزریق نیتروژن به مخازن نفت و گاز برای افزایش فشار و برداشت
  • پاکسازی و شستشوی خطوط لوله و تجهیزات
  • جلوگیری از خوردگی و فرسایش تجهیزات
  • اطفاء حریق در چاه‌های نفت و گاز
  • به عنوان گاز حامل در عملیات انتقال نفت و گاز
• صنایع فولاد:
  • به عنوان گاز محافظ در جوشکاری و عملیات حرارتی فلزات
  • جلوگیری از اکسیداسیون و زنگ زدگی فولاد
  • پاکسازی و شستشوی تجهیزات و خطوط لوله
  • افزایش راندمان و کیفیت تولید فولاد
  • خنک کردن کوره‌ها و تجهیزات
• صنایع شیمیایی:
  • تولید آمونیاک، ماده اولیه کودهای شیمیایی
  • تولید اسید نیتریک، یکی از مواد پایه در صنعت شیمی
  • تولید نایلون و سایر پلیمرها
  • به عنوان گاز حامل و رقیق‌کننده در واکنش‌های شیمیایی
  • خنک کردن راکتورها و تجهیزات شیمیایی
• صنایع غذایی:
  • انجماد سریع مواد غذایی برای حفظ کیفیت و ماندگاری
  • بسته‌بندی مواد غذایی تحت اتمسفر نیتروژن برای جلوگیری از فساد حفظ طعم و رنگ مواد غذایی
  • پیشگیری از رشد میکروارگانیسم‌ها و قارچ‌ها
  • به عنوان گاز پیشران در قوطی‌های اسپری و جایگزینی مناسب برای گازهای گلخانه‌ای
• صنایع پزشکی:
  • انجماد سریع خون، سلول‌ها و بافت‌ها برای پیوند و ذخیره‌سازی
  • به عنوان گاز محافظ در جراحی‌ها
  • خنک کردن تجهیزات پزشکی
  • تولید داروها و مواد بیولوژیکی
  • کاربرد در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی
• صنایع الکترونیک:
  • تولید و مونتاژ قطعات الکترونیکی حساس
  • خنک کردن مدارهای الکترونیکی
  • جلوگیری از اکسیداسیون و خوردگی قطعات الکترونیکی
  • تست و آزمایش قطعات و تجهیزات الکترونیکی
  • به عنوان گاز پاک‌کننده در صنعت الکترونیک
• صنایع خودروسازی:
  • تولید و تست کیسه‌های هوا
  • به عنوان گاز پیشران در سیستم‌های ترمز
  • خنک کردن موتور و سایر اجزای خودرو
  • تزریق نیتروژن به لاستیک‌ها برای افزایش عمر و راندمان
  • تست و عیب‌یابی سیستم‌های سوخت‌رسانی
• صنایع هوافضا:
  • به عنوان گاز پیشران در موشک‌ها و هواپیماها
  • خنک کردن موتورهای هواپیما
  • پرشدن مخازن سوخت هواپیما با نیتروژن برای جلوگیری از انفجار
  • تست و آزمایش تجهیزات هوافضا
  • کاربرد در سیستم‌های خنک‌کننده فضایی
• صنایع ساخت و ساز:
  • انجماد خاک برای حفاری و تونل‌سازی
  • تخریب بتن و سازه‌های قدیمی
  • شستشوی سطوح و تجهیزات
  • جلوگیری از خوردگی و زنگ‌زدگی فلزات
  • به عنوان گاز محافظ در جوشکاری و برشکاری
• سایر کاربردها:
  • تولید و انجماد بذر
  • تصفیه آب و فاضلاب
  • اطفاء حریق
  • خنک کردن تجهیزات صنعتی
  • کاربرد در صنعت چاپ و نشر

در ایران علی‌رغم کاربردهای بی‌شمار نیتروژن در صنایع، فناوری خالص‌سازی آن تاکنون از خارج از کشور تأمین شده است. تولید نیتروژن نه تنها یک ضرورت صنعتی است، بلکه به عنوان یک هدف استراتژیک می تواند به ارتقای امنیت ملی، خودکفایی، توسعه اقتصادی و فناوری کشور کمک کند.

1. کاربردهای حیاتی در صنایع مختلف: نیتروژن به عنوان یک عنصر کلیدی در صنایع مختلف از جمله نفت و گاز، شیمیایی، غذایی، فولاد، پزشکی، الکترونیک، خودروسازی، هوافضا و ساخت و ساز کاربرد دارد. بدون نیتروژن، بسیاری از این صنایع قادر به فعالیت نخواهند بود.
2. فراهم شدن دستیابی به سایر فناوری‌ها و محصولات: از فناوری خالص‌سازی می‌توان برای تولید سایر گازهای صنعتی مانند هیدروژن، هلیوم، آرگون و غیره با خلوص بالا استفاده کرد.
3. وابستگی به منابع خارجی و ظرفیت صادراتی: بسیاری از کشورها برای تامین نیتروژن مورد نیاز خود به واردات از سایر کشورها وابسته هستند. این وابستگی می‌تواند امنیت ملی و اقتصاد کشور را به خطر اندازد. از سویی دیگر، ظرفیت بالقوه این محصول برای صادرات بسیار جذاب است.
4. افزایش خودکفایی، اشتغال و توسعه فناوری: تولید داخلی نیتروژن می‌تواند خودکفایی کشور را افزایش داده و از وابستگی به منابع خارجی بکاهد، فرصت‌های شغلی جدیدی در زمینه‌های مختلف ایجاد، به پیشرفت علمی و فناوری کشور کمک کرده و زمینه را برای نوآوری و کارآفرینی فراهم نماید. این امر به ویژه در شرایط تحریم یا بحران‌های اقتصادی از اهمیت بالایی برخوردار است.

حقایق آماری

• در سال 2022، بخش گاز نیتروژن سهم قابل توجهی در بازار جهانی گاز صنعتی داشت و 18.66 میلیارد دلار را به خود اختصاص داد. پیشبینی می‌شود این عدد در سال 2030 به 36.45 میلیارد دلار برسد. لینک منبع

Trade Growth: Between 2020 and 2021, nitrogen gas exports increased by 24.5%, indicating growing demand. Source Link

بازیگران فعال در بازار ایران و جهان (وضعیت انحصار در جهان)

• شرکت‌های چند ملیتی:
  • Air Liquide (فرانسه): بزرگترین تولیدکننده گازهای صنعتی در جهان، با سابقه طولانی در تولید و خالص‌سازی نیتروژن.
  • Linde AG (آلمان): دومین تولیدکننده بزرگ گازهای صنعتی در جهان، با تمرکز بر فناوری‌های نوین برای تولید نیتروژن.
  • Praxair (ایالات متحده): سومین تولیدکننده بزرگ گازهای صنعتی در جهان، با تخصص در تولید نیتروژن با خلوص بالا.
  • Air Products and Chemicals (ایالات متحده): چهارمین تولیدکننده بزرگ گازهای صنعتی در جهان، با ارائه طیف وسیعی از محصولات و خدمات نیتروژن.
  • Messer Group (آلمان): پنجمین تولیدکننده بزرگ گازهای صنعتی در جهان، با تمرکز بر بازارهای محلی و منطقه‌ای.
• شرکت‌های منطقه‌ای:
  • Taiyo Nippon Sanso Corporation (ژاپن): بزرگترین تولیدکننده گازهای صنعتی در آسیا، با تخصص در تولید نیتروژن برای صنایع مختلف.
  • JGC Corporation (ژاپن): ارائه‌دهنده طیف وسیعی از خدمات مهندسی و ساخت برای صنعت تولید نیتروژن.
  • Sinopec (چین): بزرگترین شرکت پتروشیمی در چین، با سرمایه‌گذاری در تولید نیتروژن برای مصارف داخلی.
  • Indian Oil Corporation (هند): بزرگترین شرکت پتروشیمی در هند، با تولید نیتروژن برای مصارف داخلی و صادرات.
  • Petrobras (برزیل): بزرگترین شرکت نفت و گاز در برزیل، با تولید نیتروژن برای مصارف داخلی و صادرات.

آینده صنعت تولید نیتروژن:

• انتظار می‌رود تقاضا برای نیتروژن در سال‌های آینده به دلیل رشد جمعیت و افزایش تقاضا در صنایع مختلف به طور قابل توجهی افزایش یابد.
• فناوری‌های جدید مانند نیتروپلاس (PSA) و غشاء جداسازی گاز به دلیل راندمان بالا نقش مهمی در تولید نیتروژن در آینده خواهند داشت.
• توجه به پایداری و حفظ محیط زیست در صنعت تولید نیتروژن از اهمیت بالایی برخوردار خواهد بود.

با توجه به موارد ذکر شده، صنعت تولید نیتروژن یک صنعت مهم و رو به رشد است که توسط تعدادی از شرکت‌های بزرگ و کوچک در سراسر جهان اداره می‌شود.

بیان مسأله

امروزه سامانه‌های سیار تولید نیتروژن فوق خالص یکی از نیازهای حیاتی صنعت نفت برای بهره‌برداری، تعمیر و نگهداری چاه‌های تولیدی نفت و همچنین احیای چاه‌های مرده و کم بازده نفتی است. از میان 4000 حلقه چاه تولیدی موجود در کشور، حدود 840 حلقه چاه (معادل 20 درصد از ظرفیت چاه‌های تولیدی کشور) غیرفعال است. از این میان حدود 210 حلقه چاه به دلیل مشکلات فنی ناشی از افت فشار درون‌چاهی، غیرفعال شده‌اند.

از سوی دیگر در بسیاری از عملیات‌های مربوط به تعمیر و نگهداری چاه‌های نفت، به‌منظور بازگشت مجدد چاه به مدار تولید نیاز است که اصطلاحاً چاه زنده‌سازی شده و سیالات اضافی درون ستون چاه تخلیه گردد. در همین راستا تزریق گاز نیتروژن فوق خالص در قالب عملیات نیترو لیفت، به‌عنوان یکی از روش‌های اصلی احیای چاه‌های تعمیری و مرده نفتی کاربرد زیادی در سطح جهان داشته است.

راهکار و محصول توسعه یافته

با تلفیق روش PSA و خالص‌ساز کاتالیستی می‌توان سیستم‌هایی برای تولید نیتروژن فوق خالص 99.99% به بالا به صورت قابل‌حمل طراحی کرد که برای تزریق نیتروژن به میادین نفتی با هدف کنترل فشار عملیاتی چاه با ازدیاد برداشت بسیار استراتژیک و برای اولین بار در کشور صورت می‌گیرد.

تزریق گاز نیتروژن نیز جزو روش‌های ازدیاد برداشت بوده که از نظر اقتصادی نسبت به CO2 و نیز گاز طبیعی به صرفه‌تر بوده و نیز خطرات ناشی از اشتعال و انفجار نیز در آن وجود ندارد . 

بنابراین مسأله، مؤسسه دانش‌بنیان برکت با بهره‌گیری از فناوری بومی‌سازی شده‌ی فوق، راهکار مناسب را به شکل یک محصول طراحی و آماده عملیات نموده است.

فناوری توسعه یافته در این پروژه، امکان تولید گاز نیتروژن با خلوص 99.9 تا 99.99 درصد را به صورت قابل حمل (پرتابل) دارا است که از مزایای رقابتی آن می‌توان به کاهش ابعاد و مصرف انرژی تجهیزات، افزایش ظرفیت و خلوص نیتروژن تولیدی، افزایش طول عمر و زمان کارکرد سیستم، کاهش هزینه‌های عملیاتی و تعمیر و نگهداری و کاهش هزینه‌های ساخت دستگاه در مقایسه با سایر روش‌های موجود اشاره کرد.

ابعاد اقتصادی

با توجه به اطلاعات اعلامی کارفرمای طرح و طبق آخرین قرارداد منعقده در سطح شرکت ملی مناطق نفت‌خیز جنوب، هزینه‌های هر عملیات برای تأمین نیتروژن از سایر روشها تقریباً 20,700 یورو بوده است. درحالیکه هزینه هر عملیات در این قرارداد و برای استفاده از این فناوری کمتر از 10,000 یورو برآورد گردیده است.

همچنین لازم به توضیح است که هر سامانه سیار تولید و تزریق گاز نیتروژن فوق خالص به طور متوسط امکان سرویس‌دهی و احیای حداقل 36 حلقه چاه را در سال دارا است. لذا از منظر مهندسی ارزش، اگر میزان تولید متوسط چاه‌های نفتی کشور معادل 400 بشکه در روز در نظر گرفته شود، اجرای این طرح می‌تواند از طریق جلوگیری از توقف تولید چاه‌های فعال و یا فراهم کردن شرایط برای احیا و تولید مجدد از چاه‌های کم بازده، درآمدی حداقل 200 میلیون دلار در سال را ناشی از حفظ تولید و فروش نفت برای کشور به همراه خواهد داشت.

شرح وقایع در مسیر اجرای پروژه، تولید محصول، مذاکرات و …

آخرین وضعیت

در حال حاضر مراحل واگذاری قرارداد این پروژه  و ابلاغ به کار پروژه توسط کارفرما به این شرکت انجام شده‌ و قرارداد امضا شده است و در حال آغاز مراحل اجرایی می‌باشد.

چشم انداز

در صورت سرمایه‌گذاری، امکان ساخت حداقل سه سامانه دیگر و ایجاد درآمد ملی محقق می‌گردد.

با تشکر از شرکت دانش‌بنیان «پیشرو‌ فرایند‌ رادین» و شتابدهنده تخصصی نفت و گاز «OG-Tech»

 ¹Pressure Swing Adsorption