Mikä on Haber-Bosch-prosessi?

Haber-Bosch-prosessi tai yksinkertaisesti Haber-prosessi on menetelmä, jota käytetään ammoniakin laajamittaiseen valmistukseen. Tämä prosessi nimettiin Fritz Haberin ja Carl Boschin, kahden saksalaisen kemian, joka keksi 20. vuosisadan alussa. Haber-Bosch-prosessi kehitettiin korvaamaan vähemmän tehokkaat menetelmät, joita aiemmin käytettiin ammoniakin tuotannossa, kuten Frank-Caron prosessi. Nykyään Haber-Bosch-prosessia käytetään pääasiassa lannoitteissa käytettävän ammoniakin valmistuksessa, toisin kuin sen keksintövuosina, jolloin sitä käytettiin ammoniakin tuottamiseen räjähteille, joita käytettiin ensimmäisessä sodassa.

Tausta

Haber-Bosch-prosessi keksittiin täyttämään ammoniakin korkeat vaatimukset 1800-luvulla. Ammoniakin kysyntä nousi, koska se tarvitsi lannoitteita ja karjan ruokaa. 1900-luvun alussa Haber päätti laatia vaihtoehtoisen menetelmän ammoniakin kysynnän ylläpitämiseksi. Haber Fritz kertoi yhdessä avustajansa kanssa prosessin, joka vaati katalyyttien ja korkean paineen alaista laitetta. Demonstraatioprosessi oli pieni mittakaavassa laboratoriotasolla. Demonstraatioprosessi tapahtui kesällä 1909. Ammoniakki syntyi putouksina 125 ml tunnissa. Tämä prosessi sai tunnustusta, ja sen osti saksalainen pohjoismainen yritys BASF. Carl Boschille annettiin velvollisuus varmistaa, että prosessi päivitettiin teolliselle tasolle, jonka hän menestyi menestyksekkäästi vuonna 1910. Suuren ammoniakin tuotanto alkoi vuonna 1913 BASF: n omistamassa Oppaun tehtaalla. Laitos moninkertaisti ammoniakin tuotannon, joka osui 20 tonniin päivässä vuoteen 1914 mennessä. Haber-Bosch-prosessi oli Saksan kannalta varsin edullinen. Haber voitti Nobelin palkinnon vuonna 1913 ja Bosch voitti saman palkinnon vuonna 1931.

Prosessi

Ammoniakki muodostuu prosessin kautta, joka sisältää typen ja vedyn reaktion. Prosessi tapahtuu 400 - 500 Celsius-asteen lämpötiloissa. Typpi- ja vetykaasut johdetaan katalysaattoreiden läpi vakiolämpötila-asetuksilla tasapainon pitämiseksi vakaana. Kaasut johdetaan neljän katalyyttijoukon yli. Jokaisessa sarjassa noin 15% kaasua reagoi ammoniakin muodostamiseksi. Kaasut, jotka eivät ole reagoineet, johdetaan uudelleen ja uudelleen katalyyttien läpi. Lopulta lähes 97% kaasuista on reagoinut. Typpi ei ole reaktiivinen johtuen vahvoista kolmoissidoksista, jotka pitävät molekyylejä yhdessä. Sen varmistamiseksi, että se reagoi vedyn kanssa, tarvitaan korkeita lämpötiloja ja katalyyttejä. Haber-Bosch-prosessissa käytetty vety hankitaan pääasiassa metaanista. Vedyn saamiseksi metaanista suoritetaan höyryreformointiprosessi, jolloin kaasu asetetaan korkeisiin lämpötiloihin ja paineeseen ja nikkelikatalyyttiin. Tuotantonopeuden lisäämiseksi tuotettu ammoniakki poistetaan usein järjestelmästä. Haber-prosessin yleisesti käytettyjä katalyyttejä ovat rautapohjaiset katalyytit, uraani ja osmium.

Taloudelliset ja ympäristönäkökohdat

Haber-Bosch-prosessin keksimisen jälkeen sen oli kilpailtava Cyanamid-prosessin kanssa. Syanamidiprosessi oli tehoton, koska siinä käytettiin suuria määriä voimaa ja työvoimaa. Haber-prosessi on tehostunut tasolle, joka johtaa noin 450 miljoonan tonnin typpilannoitteiden tuotantoon vuosittain. Lannoitteiden suuri tuotanto on johtanut siihen, että maataloudelle on asetettu suuria maa-alueita. Ammoniakkilannoite on lisännyt maataloustuottoja ja runsaasti ruokaa, mikä on kasvattanut väestönkasvua.

Suositeltava

Maailman 20 suurinta lentokenttää
2019
Kanadan maakuntien ja alueiden kukkia
2019
UNESCOn luovat kaupungit Pohjois-Amerikassa
2019