Haber process

Haber-processen (Haber)  är en industriell process (uppfunnen av Fritz Haber och Carl Bosch ) där atmosfäriskt kväve "binds" genom syntesen av ammoniak . En blandning av kväve och väte leds genom en uppvärmd katalysator under högt tryck [1] . Samtidigt, på grund av högt tryck, förskjuts jämvikten i reaktionen N 2  + 3 H 2  ⇄ 2NH 3 mot ammoniak. Väte för att erhålla ammoniak extraheras ur metan genom att behandla det med vattenånga .

Om ammoniaksyntesens historia

Före utvecklingen av Haber-Bosch-processen erhölls ammoniak med två energikrävande metoder: cyanamid och nitrid [2] . Den första baserades på hydrolys av kalciumcyanamid CaCN 2 :

Kalciumcyanamid erhölls tidigare genom att sintra kalciumkarbid med koks i en kväveatmosfär vid en temperatur av cirka 1000°C:

Nitridmetoden är baserad på hydrolys av aluminiumnitrid, som erhålls genom att smälta korund med koks i närvaro av kväve:

Kemister stod också inför problemet med kemisk bindning av kväve, och på 1800-talet försökte de lösa det genom att oxidera kväve med syre vid temperaturer över 2200 ° C. Denna process utfördes av forskarna H. Birkeland och S. Eide i en voltaisk båge . De fann också att reaktionen accelereras i närvaro av Fe 2 O 3 . 1901 registrerades ett patent i namnet A. Le Chatelier för reaktionen av ammoniaksyntes från kväve och väte. Patentet indikerade behovet av högt tryck såväl som närvaron av en katalysator . 1904-1907 utförde W. Ostwald , W. Nernst och F. Haber arbete som gjorde det möjligt att fastställa jämviktskoncentrationerna av väte, kväve och ammoniak beroende på tryck och temperatur. I mars 1909 erhöll F. Gaber först ammoniak vid 600 ° C och 17,5 MPa, med hjälp av pulveriserat osmium som katalysator . Forskaren överlämnade resultaten till BASF , som byggde den första anläggningen för syntes av ammoniak 1913. Utrustningen för det utvecklades av ingenjör K. Bosch.

Mer än 8 000 processkatalysatorer har studerats vid BASF. Redan 1910 visades det att den bästa katalysatorn är smält järn med tillsatser av oxider av aluminium, kalium och kalcium. Denna katalysator blev den viktigaste för syntesen av ammoniak i 90 år.

Den första produktionen i Sovjetunionen grundades 1928 vid Chernorechensky kemiska fabrik i Dzerzhinsk . 1990 var Sovjetunionen ledande inom produktion av ammoniak - 28 miljoner ton / år. I mitten av 2000-talet opererades 42 ammoniaksyntesenheter med en kapacitet på 1360 till 1420 t/dag (cirka 450 tusen t/år) på fd Sovjetunionens territorium. Den totala kapaciteten för installationer i Ryssland 2001 var 14,2 miljoner ton/år, och totalt i OSS-länderna - 22 miljoner ton/år [3] .

Egenskaper för Haber-processen

En viktig egenskap hos Haber-processen är dess icke-avfall. Reaktionen av ammoniakbildning från väte och kväve är jämvikt och exoterm, därför, vid höga temperaturer som är nödvändiga för att uppnå en acceptabel reaktionshastighet, skiftar jämvikten mot kväve och väte, och ammoniakutbytet per passage av gasblandningen genom katalysatorn under industriell förhållandena inte överstiger 14–16 % [4] . Därför kyls blandningen som lämnar reaktorn till ammoniakkondensationstemperaturen, flytande ammoniak separeras i separatorn och den återstående blandningen av väte och kväve recirkuleras, upphettas igen och passerar genom synteskolonnen med en katalysator. I Haber-processen är således det teoretiska utbytet i ammoniaksyntesreaktionen 100 % .

Utgången av ammoniak ( i ​​volymprocent ) för en passage av katalysatorn vid olika temperaturer och tryck har följande värden [4] :

100 kl 300 kl 1000 kl 1500 kl 2000 kl 3500 kl
400°C 25.12 47.00 79,82 88,54 93,07 97,73
450°C 16.43 35,82 69,69 84,07 89,83 97,18
500°C 10,61 26.44 57,47 Inga data
550°C 6,82 19.13 41,16

Användningen av en katalysator (poröst järn med föroreningar av Al 2 O 3 och K 2 O) gjorde det möjligt att påskynda uppnåendet av ett jämviktstillstånd. Intressant nog, i sökandet efter en katalysator för denna roll, prövades mer än 20 tusen olika ämnen.

Med hänsyn till alla ovanstående faktorer utförs processen för att erhålla ammoniak under följande förhållanden: temperatur 500 ° C, tryck 350 atmosfärer, katalysator. Utbytet av ammoniak under sådana förhållanden är cirka 30 %. Under industriella förhållanden används cirkulationsprincipen - ammoniak avlägsnas genom kylning och oreagerat kväve och väte återförs till synteskolonnen. Detta visar sig vara mer ekonomiskt än att uppnå ett högre reaktionsutbyte genom att öka trycket.

Trots det faktum att ammoniaksyntesreaktionen är exoterm, är Haber-processen mycket energikrävande: den genomsnittliga förbrukningen av elektrisk energi för produktion av 1 ton ammoniak är 3200 kWh . Energi går åt till att komprimera och värma blandningen av kväve och väte, och försvinner delvis till värme under den kylning som krävs för att kondensera och separera ammoniaken.

Enligt en uppskattning för 2010 förbrukade den amerikanska kvävehaltiga gödselindustrin 148 PJ termisk energi från bränsleförbränning, 13 PJ elektrisk energi och energiekvivalenten till 196 PJ metan som vätgaskälla, samtidigt som den producerade 8,7 miljoner ton ammoniak [5] . Sålunda användes 4700 kWh värmeenergi, 415 kWh elektrisk energi och 6300 kWh värmeenergi lagrad i den använda metanen på produktionen av 1 ton ammoniak . Dessa energiinsatser är dock uppskattningar eftersom statistiken endast är tillgänglig för branschen som helhet och inte för en enskild ammoniakanläggning.

Det är konstigt att mikroorganismers biofixering av atmosfäriskt kväve är en ännu mer energikrävande process: att fixera 1 kvävemolekyl kräver minst 12 ATP -molekyler , vilket motsvarar 5000  kWh per ton ammoniak.

Utvecklare

De välkända företagen Haldor Topsøe , KBR (Kellogg Brown & Root) , Ammonia Casale , ICI , CF Braun (KBR), Uhde ( ThyssenKrupp ), Linde , Lurgi med flera [6] är de ledande inom införandet av ammoniaksyntesteknik .

Anteckningar

  1. ↑ Ordbok, 2009 .
  2. ↑ Ed. Yu.D. Tretjakov. Oorganisk kemi: i 3 volymer - Moskva: Publishing Center "Academy", 2004. - T. 2. - S. 179.
  3. ↑ Krylov O. V. Heterogen katalys. Lärobok för universitet. - M . : Akademikniga, 2004. - 679 sid. — ISBN 5-94628-141-0 .
  4. ↑ 1 2 Khodakov Yu. V., Epshtein D. A., Gloriozov P. A. § ​​19. Interaktion av kväve med väte // Oorganisk kemi. Lärobok för årskurs 9. - 7:e uppl. - M . : Education , 1976. - S. 38-41. — 2 350 000 exemplar.
  5. ↑ Effektivitet och kostnadsbesparingsmöjligheter för produktion av ammoniak och kvävehaltiga gödselmedel . — En ENERGY STAR-guide för energi- och anläggningschefer. – Mars 2017.
  6. ↑ V. E. Agabekov, V. K. Kosyakov. Olja och gas. Teknik och bearbetningsprodukter. — Rostov n/a. : Phoenix, 2014. - S. 296-297. — 458 sid. — ISBN 978-5-222-21726-9 .

Länkar