Haber folyamat

A Haber (Haber)  eljárás egy ipari eljárás ( Fritz Haber és Carl Bosch találta fel), amelyben a légköri nitrogént az ammónia szintézise "köti meg" . A nitrogén és a hidrogén keverékét nagy nyomáson fűtött katalizátoron vezetik át [1] . Ugyanakkor a nagy nyomás hatására az N 2  + 3 H 2  ⇄ 2NH 3 reakcióban az egyensúly az ammónia felé tolódik el. Az ammónia előállításához a hidrogént a metánból vonják ki vízgőzzel való kezeléssel .

Az ammóniaszintézis történetéről

A Haber-Bosch eljárás kifejlesztése előtt az ammóniát két energiaigényes módszerrel nyerték: ciánamiddal és nitriddel [2] . Az első a kalcium-cianamid CaCN 2 hidrolízisén alapult :

A kalcium-ciánamidot korábban kalcium-karbid koksszal történő szinterezésével állították elő nitrogénatmoszférában, körülbelül 1000 °C hőmérsékleten:

A nitrid módszer az alumínium-nitrid hidrolízisén alapul, amelyet a korund és a koksz nitrogén jelenlétében történő olvasztásával nyernek:

A kémikusok szembesültek a nitrogén kémiai megkötésének problémájával is, és a 19. században megpróbálták megoldani a nitrogén oxigénnel történő oxidációját 2200 ° C feletti hőmérsékleten. Ezt a folyamatot H. Birkeland és S. Eide tudósok hajtották végre voltikus ívben . Azt is megállapították, hogy a reakció felgyorsul Fe 2 O 3 jelenlétében . 1901-ben szabadalmat jegyeztek be A. Le Chatelier nevére az ammóniaszintézis nitrogénből és hidrogénből történő reakciójára. A szabadalom jelezte a nagy nyomás szükségességét, valamint katalizátor jelenlétét . 1904-1907-ben W. Ostwald , W. Nernst és F. Haber olyan munkát végzett, amely lehetővé tette a hidrogén, nitrogén és ammónia egyensúlyi koncentrációjának meghatározását a nyomástól és a hőmérséklettől függően. 1909 márciusában F. Gaber először nyert ammóniát 600 °C-on és 17,5 MPa-on, porított ozmiumot katalizátorként használva . A tudós átadta az eredményeket a BASF -nek , amely 1913-ban építette fel az első ammóniaszintézis üzemet. A berendezést K. Bosch mérnök fejlesztette ki.

A BASF több mint 8000 folyamatkatalizátort tanulmányozott. Már 1910-ben kimutatták, hogy a legjobb katalizátor az alumínium-, kálium- és kalcium-oxidok hozzáadásával olvasztott vas. Ez a katalizátor lett az ammónia szintézisének fő katalizátora 90 évig.

A Szovjetunióban az első gyártást 1928-ban alapították a Dzerzsinszki Csernorecsenszkij vegyi üzemben . 1990-ben a Szovjetunió vezette az ammóniagyártást - évi 28 millió tonna. A volt Szovjetunió területén a 2000-es évek közepén 42 db ammóniaszintézis-egység működött, 1360-1420 t/nap (kb. 450 ezer t/év) kapacitással. Az oroszországi létesítmények teljes kapacitása 2001-ben 14,2 millió tonna/év volt, a FÁK-országokban összesen pedig 22 millió tonna/év [3] .

A Haber-folyamat tulajdonságai

A Haber-eljárás egyik fontos tulajdonsága a hulladékmentesség. A hidrogénből és nitrogénből az ammóniaképződés reakciója egyensúlyi és exoterm, ezért az elfogadható reakciósebesség eléréséhez szükséges magas hőmérsékleten az egyensúly a nitrogén és a hidrogén felé tolódik el, valamint a gázelegy katalizátoron áthaladó ammóniahozama ipari körülmények között. feltételek nem haladják meg a 14-16%-ot [4] . Ezért a reaktorból kilépő keveréket lehűtik az ammónia kondenzációs hőmérsékletére, a cseppfolyósított ammóniát a szeparátorban leválasztják, majd a visszamaradó hidrogén-nitrogén keveréket visszavezetik, újra felmelegítik és katalizátorral átengedik a szintézis oszlopon. Így a Haber-eljárásban az ammóniaszintézis reakció elméleti hozama 100% .

Az ammónia kibocsátása ( térfogatszázalékban ) a katalizátor egy menetére különböző hőmérsékleteken és nyomásokon a következő értékeket tartalmazza [4] :

100 at 300 at 1000 at 1500 at 2000 at 3500 at
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 Nincs adat
550 °C 6.82 19.13 41.16

Katalizátor (porózus vas Al 2 O 3 és K 2 O szennyeződésekkel ) alkalmazása lehetővé tette az egyensúlyi állapot elérésének felgyorsítását. Érdekes módon ennek a szerepnek a katalizátorának keresése során több mint 20 ezer különféle anyagot próbáltak ki.

Az összes fenti tényezőt figyelembe véve az ammónia előállítását a következő feltételek mellett hajtják végre: hőmérséklet 500 ° C, nyomás 350 atmoszféra, katalizátor. Az ammónia hozama ilyen körülmények között körülbelül 30%. Ipari körülmények között a cirkuláció elvét alkalmazzák - az ammóniát hűtéssel távolítják el, és a reagálatlan nitrogént és hidrogént visszajuttatják a szintézis oszlopba. Ez gazdaságosabbnak bizonyul, mint nagyobb reakcióhozam elérése a nyomás növelésével.

Annak ellenére, hogy az ammónia szintézis reakciója exoterm, a Haber-eljárás nagyon energiaigényes: 1 tonna ammónia előállításához átlagosan 3200 kWh az elektromos energia fogyasztása . Energiát fordítanak a nitrogén és hidrogén keverékének összenyomására és melegítésére, és az ammónia kondenzálásához és elválasztásához szükséges hűtés során részben hővé disszipálódik.

A 2010-re vonatkozó becslések szerint az Egyesült Államok nitrogéntartalmú műtrágya ipara 148 PJ hőenergiát fogyasztott el tüzelőanyag elégetésével, 13 PJ elektromos energiát és 196 PJ metánnak megfelelő energia-egyenértéket hidrogénforrásként, miközben 8,7 millió tonna műtrágyát termelt. ammónia [5] . Így 4700 kWh hőenergiát, 415 kWh elektromos energiát és 6300 kWh a felhasznált metánban tárolt hőenergiát fordítottak 1 tonna ammónia előállítására. Ezek az energiaráfordítások azonban becslések, mivel a statisztikák csak az iparág egészére vonatkozóan állnak rendelkezésre, nem pedig az egyes ammóniagyárakra vonatkozóan.

Érdekes, hogy a légköri nitrogén mikroorganizmusok általi biofixálása még energiaigényesebb folyamat: 1 nitrogénmolekula rögzítéséhez legalább 12 ATP- molekulára van szükség , ami 5000  kWh -nak felel meg ammóniánként.

Fejlesztők

A jól ismert Haldor Topsøe , KBR (Kellogg Brown & Root) , Ammonia Casale , ICI , CF Braun (KBR), Uhde ( ThyssenKrupp ), Linde , Lurgi és mások [6] vezetői a bevezetésben. ammónia szintézis technológiák .

Jegyzetek

  1. ↑ Szótár, 2009 .
  2. ↑ Szerk. Yu.D. Tretyakov. Szervetlen kémia: 3 kötetben - Moszkva: "Akadémia" Kiadóközpont, 2004. - T. 2. - S. 179.
  3. ↑ Krylov O. V. Heterogén katalízis. Tankönyv egyetemek számára. - M . : Akademkniga, 2004. - 679 p. — ISBN 5-94628-141-0 .
  4. ↑ 1 2 Khodakov Yu. V., Epshtein D. A., Gloriozov P. A. § ​​19. Nitrogén kölcsönhatása hidrogénnel // Szervetlen kémia. Tankönyv 9. évfolyamnak. - 7. kiadás - M . : Nevelés , 1976. - S. 38-41. — 2.350.000 példány.
  5. ↑ Hatékonyság és költségmegtakarítási lehetőségek az ammónia- és nitrogéntartalmú műtrágyagyártáshoz . — ENERGY STAR útmutató energia- és üzemvezetőknek. – 2017. március.
  6. ↑ V. E. Agabekov, V. K. Kosyakov. Olaj és gáz. A feldolgozás technológiái és termékei. — Rostov n/a. : Phoenix, 2014. - S. 296-297. — 458 p. — ISBN 978-5-222-21726-9 .

Linkek