የሃበር ቦሽ ምላሽ ሂደት እንዴት እንደሚሰራ

የሃበር ቦሽ ምላሽ ሂደት እንዴት እንደሚሰራ

የሃበር-ቦሽ ሂደት በኢንዱስትሪ ኬሚስትሪ ታሪክ ውስጥ ካሉት እጅግ አስፈላጊ ግኝቶች አንዱ ነው ምክንያቱም ሰዎች ከሁለት በተፈጥሮ የበለፀጉ ጋዞች አሞኒያ (NH₃) በከፍተኛ ደረጃ እንዲያመርቱ ያስችላቸዋል፤ እነሱም ከአየር ናይትሮጅን (N₂) እና ሃይድሮጂን (H₂) በአጠቃላይ ከተፈጥሮ ጋዝ ወይም ከሌሎች ምንጮች ይገኛሉ። ከዚያም አሞኒያ እንደ ዩሪያ እና አሞኒየም ናይትሬት ላሉ የናይትሮጂን ማዳበሪያዎች ዋና ጥሬ እቃ ይሆናል፤ እነዚህም በዓለም አቀፍ ደረጃ የግብርና ምርታማነትን ለማሳደግ ትልቅ ሚና ይጫወታሉ። ይህ ሂደት ባይኖር ኖሮ የዓለም የምግብ አቅርቦት በጣም የተገደበ ይሆን ነበር።

ዳራ፡- ናይትሮጅንን "ለመያዝ" አስቸጋሪ የሆነው ለምንድነው?

አየር 78% ናይትሮጅን ቢይዝም፣ የN₂ ጋዝ በጣም የተረጋጋ ነው ምክንያቱም ሁለቱ የናይትሮጅን አቶሞች በጠንካራ የሶስትዮሽ ትስስር (N≡N) የተሳሰሩ ናቸው። ይህ ትስስር ናይትሮጅን ምላሽ ለመስጠት "እምቢተኛ" የሚያደርገው ነው። ተክሎች ፕሮቲኖችን እና ኑክሊክ አሲዶችን ለመፍጠር ናይትሮጅን ያስፈልጋቸዋል፣ ነገር ግን በቀጥታ ከአየር N₂ን መጠቀም አይችሉም። በተፈጥሮው፣ ናይትሮጅን በተወሰኑ ባክቴሪያዎች ወይም በመብረቅ የተወሰነ ነው፣ ነገር ግን የእነዚህ ተፈጥሯዊ ሂደቶች ፍጥነት የዘመናዊ ግብርና ፍላጎቶችን ለማሟላት በቂ አይደለም። ሃበር-ቦሽ የሚመጣው እዚህ ላይ ነው፡ ናይትሮጅን በተሻሻለ ሁኔታ እና በማነቃቂያዎች ምላሽ እንዲሰጥ "ለማስገደድ" መንገድ ይሰጣል።

ዋናው ምላሽ፡ ከናይትሮጅን እና ሃይድሮጂን ወደ አሞኒያ

የሃበር-ቦሽ ሂደት ዋና የምላሽ እኩልታ የሚከተለው ነው፡

N₂(ግ) + 3H₂(ግ) ⇌ 2NH₃(ግ) + ሙቀት

ይህ ምላሽ ሊቀለበስ የሚችል (በሁለቱም አቅጣጫዎች ሊቀጥል ይችላል) እና ውጫዊ ሙቀት (ሙቀትን ያመነጫል) ነው። ይህ ማለት የአሞኒያ መፈጠር እንደ ሚዛናዊ መርህ ዝቅተኛ የሙቀት መጠን ይመረጣል ማለት ነው፣ ነገር ግን በጣም ዝቅተኛ የሙቀት መጠን ሲኖር ምላሹ በጣም በዝግታ ይቀጥላል። ስለዚህ የኢንዱስትሪ ሂደቶች በምላሽ መጠን እና በሚዛን ምርት መካከል ስምምነት ማግኘት አለባቸው።

የሃበር-ቦሽ ሂደት ዋና ዋና ደረጃዎች

በአጠቃላይ የሃበር-ቦሽ የኢንዱስትሪ ሂደት በርካታ ደረጃዎችን ያካትታል፤ ጥሬ ዕቃዎችን (H₂ እና N₂) ማቅረብ፣ ማጽዳት፣ መጭመቅ፣ ከካታላይት ጋር የማዋሃድ ምላሽ፣ የአሞኒያ መለያየት እና ምላሽ ያልሰጠ ጋዝ እንደገና ጥቅም ላይ ማዋል።

1. የሃይድሮጂን (H₂) ምንጮች እና ምርት

የሃበር-ቦሽ ሂደት ሃይድሮጂን አብዛኛውን ጊዜ የሚመጣው የተፈጥሮ ጋዝ (ሚቴን፣ CH₄) ማሻሻያ ነው። ደረጃዎቹ የሚከተሉትን ያካትታሉ፡

– የእንፋሎት ሚቴን ማሻሻያ (SMR): ሚቴን በከፍተኛ ሙቀት ከውሃ ትነት ጋር ምላሽ በመስጠት H₂፣ CO₂ እና CO₂ የያዘ የጋዝ ድብልቅ (syngas) ይፈጥራል።
– የውሃ-ጋዝ ለውጥ ምላሽ፡ ከዚያም CO2 በውሃ ትነት እንደገና ምላሽ ይሰጣል፤ CO2ን ያመነጫል እና H₂ ይጨምራል።

በመጨረሻም፣ CO₂ ተለያይቶ ሃይድሮጅኑ ይጸዳል። በአንዳንድ ተክሎች ውስጥ፣ ሃይድሮጅን ከውሃ ኤሌክትሮላይሲስ ሊገኝ ይችላል፣ በተለይም ታዳሽ ኤሌክትሪክ በሚገኝባቸው ቦታዎች፣ ምንም እንኳን ይህ ብዙውን ጊዜ ከተፈጥሮ ጋዝ የበለጠ ኢኮኖሚያዊ ውድ ቢሆንም።

2. ናይትሮጅን (N₂) ከአየር መውሰድ

ናይትሮጅን በአጠቃላይ በአየር መለያየት የሚወጣው ክሪዮጂኒክ አሃዶችን (እስከ በጣም ዝቅተኛ የሙቀት መጠን በማቀዝቀዝ) ወይም እንደ የግፊት ስዊንግ አድሶርፕሽን (PSA) ባሉ ሌሎች ቴክኖሎጂዎች በመጠቀም ነው። ግቡ ከፍተኛ ንፁህ ናይትሮጅን ማግኘት ነው፣ ምክንያቱም አንዳንድ ብክለቶች አነቃቂውን ሊመርዙ እና በምላሹ ውስጥ ጣልቃ ሊገቡ ይችላሉ።

3. የጋዝ ማጣሪያ፡- የካቴላይት “መርዝ” ማስወገድ

በሃበር-ቦሽ (ብዙውን ጊዜ በብረት ላይ የተመሰረተ) ውስጥ ጥቅም ላይ የሚውሉት ማነቃቂያዎች እንደ ሰልፈር (S)፣ ካርቦን ሞኖክሳይድ (CO) እና ሌሎች በርካታ ቆሻሻዎች ላሉ ውህዶች በጣም ስሜታዊ ናቸው። ስለዚህ፣ የምግብ ጋዙ መጽዳት አለበት፡

– የሰልፈር ውህዶች የሚወገዱት ልዩ ማሟሟቶችን በመጠቀም ነው።
- CO₂ እና CO₂ የሚስተናገዱት በኬሚካላዊ ግብረመልሶች (ፈረቃ፣ ሜታኔሽን) ወይም በአካላዊ/ኬሚካላዊ መለያየት ነው።
– እርጥበት (H₂O) በሂደቱ ውስጥ ጣልቃ እንዳይገባም ይቀንሳል።

ይህ የማጽዳት ሂደት በጣም አስፈላጊ ነው ምክንያቱም የእፅዋት ውጤታማነት እና የማነቃቂያ ህይወት በጋዝ ንፅህና ላይ በእጅጉ የተመካ ነው።

4. መጭመቅ፡ ሚዛኑን ለመቀየር የሚፈጠረውን ግፊት መጨመር

ይህ ምላሽ አነስተኛ የጋዝ ሞሎች ያመነጫል (ከ4 ሞሎች የጋዝ እስከ 2 ሞሎች የጋዝ)። በሌ ቻቴሊየር መርህ መሠረት፣ ከፍተኛ ግፊት ሚዛኑን ወደ ምርቱ (NH₃) ያዞራል። ስለዚህ፣ የN₂ እና H₂ ድብልቅ ወደ ከፍተኛ ግፊቶች ይጨመቃል፣ ብዙውን ጊዜ በዘመናዊ የኢንዱስትሪ ልምምድ ውስጥ በሚገኙ በመቶዎች የሚቆጠሩ ከባቢ አየር ውስጥ (ትክክለኛው ቁጥር እንደ ፋብሪካው ዲዛይን ሊለያይ ይችላል)።

ይሁን እንጂ፣ ከፍተኛ ግፊት ማለት ለኮምፕሬሰሩ ትልቅ የኃይል ፍላጎት ማለት ነው፣ ስለዚህ ፋብሪካው በአሞኒያ ምርት እና በኢነርጂ ወጪዎች መካከል ማመቻቸት አለበት።

5. የውህደት ሬአክተር፡ የማጣሪያ እና የአሠራር ሙቀት ሚና

በሪአክተሩ ውስጥ የN₂ እና H₂ ድብልቅ በአንድ ማነቃቂያ ላይ ይተላለፋል። ለሃበር-ቦሽ ሂደት ክላሲካል ማነቃቂያ እንደ ፖታሲየም ኦክሳይድ (K₂O)፣ አሉሚኒየም ኦክሳይድ (Al₂O₃) እና ካልሲየም ኦክሳይድ (CaO) ያሉ ማነቃቂያዎችን የያዘ ብረት (Fe) ነው። ማነቃቂያዎች የማነቃቂያውን እንቅስቃሴ እና መረጋጋት ለመጨመር ይረዳሉ።

የምላሽ ሙቀቱ በአጠቃላይ በቂ የምላሽ መጠን እንዲኖር በቂ በሆነ መጠን ከፍ ያለ ነው። ሆኖም፣ የአሞኒያ ምስረታ ምላሽ ከውጭ ሙቀት ውጪ ስለሆነ፣ ከመጠን በላይ ከፍተኛ የሙቀት መጠኖች የእኩልነት ምርትን ይቀንሳሉ። ስለዚህ፣ የሙቀት መጠኑ በተስማሚነት ክልል ውስጥ የተቀመጠ ሲሆን ይህም ምላሹ ጥሩ ምርት እየሰጠ በፍጥነት እንዲቀጥል ያስችለዋል።

በሞለኪውላር ደረጃ፣ ካታላይቶች የሚሰሩት በ፡
– በካታላይት ወለል ላይ የN≡N ቦንዶችን መስበር (ይህ በጣም አስቸጋሪው እርምጃ ነው)።
– H₂ን ያዋህዳል እና ወደ H አቶሞች ይከፋፍለዋል።
– NH₃ እስኪፈጠር ድረስ የN-H ትስስር ቀስ በቀስ እንዲፈጠር ይረዳል።
– ንቁ ቦታዎች እንደገና ጥቅም ላይ እንዲውሉ NH₃ን ከካታላይት ወለል ላይ መልቀቅ።

6. ማቀዝቀዝ እና ጤዛ፡ አሞኒያን ከጋዝ መለየት

ከሬአክተሩ ከወጣ በኋላ የጋዝ ድብልቁ NH₃ እንዲሁም ምላሽ ያልተሰጠ N₂ እና H₂ ይዟል። ይህ ድብልቅ ከዚያ ይቀዘቅዛል። አሞኒያ በተወሰኑ ሁኔታዎች ውስጥ በቀላሉ ፈሳሽ ስለሚሆን በኮንደንስሽን ወደ ፈሳሽ አሞኒያ እንዲለያይ ያስችለዋል።

ይህ በኮንደንሴሽን ላይ የተመሰረተ መለያየት በጣም ጠቃሚ ነው ምክንያቱም፡
- ዋናውን ምርት በብቃት ማግኘት
- ምላሹ እንዲቀጥል ያበረታታል (ምርቶቹ ይወሰዳሉ፣ ሚዛኑ ወደ ምርቶቹ ይገፋል)

7. የጋዝ መልሶ ጥቅም ላይ ማዋል፡ አጠቃላይ ቅልጥፍናን ይጨምራል

ሁሉም N₂ እና H₂ በሪአክተሩ ውስጥ በአንድ ማለፊያ ወደ NH₃ አይቀየሩም። ስለዚህ፣ የተቀረው ጋዝ ብዙውን ጊዜ ከአሞኒያ ከተለየ በኋላ ወደ ሪአክተሩ ይመለሳል። እንደገና ጥቅም ላይ ማዋል የሂደቱን አጠቃላይ የመቀየር ፍጥነት በከፍተኛ ሁኔታ ይጨምራል እና ጥሬ እቃውን የበለጠ ቀልጣፋ ያደርገዋል።

በተመሳሳይ ጊዜ፣ እንደ አርጎን ያሉ ኢንተርስ ከአየር እንዳይከማቹ ለመከላከል የጋዝ ትንሽ ክፍል "ሊጸዳ" ይችላል።

በሂደቱ ውጤት ላይ ተጽዕኖ የሚያሳድሩ ምክንያቶች

በሃበር-ቦሽ ውስጥ ሁልጊዜ የሚብራሩ ሦስት ቁልፍ ነገሮች አሉ፡

1. ግፊት፡- ግፊቱ ከፍ ባለ ቁጥር የNH₃ ምርት የመፍጠር ዝንባሌው ይጨምራል።
2. የሙቀት መጠን፡ ዝቅተኛ የሙቀት መጠን ሚዛንን ይደግፋል፣ ነገር ግን ከፍተኛ የሙቀት መጠን የምላሽ መጠኑን ያፋጥናል።
3. ካታሊስት፡ የእኩልታ ቦታውን ሳይቀይር የእኩልታ ስኬትን ያፋጥናል።

ኢንዱስትሪዎች ኢኮኖሚን፣ ደህንነትን፣ የኢነርጂ ቆጣቢነትን እና የመሳሪያዎችን ዘላቂነት ግምት ውስጥ የሚያስገቡ ተስማሚ የአሠራር ሁኔታዎችን ይመርጣሉ።

ዘመናዊ ተግዳሮቶች እና ተጽዕኖዎች

የሃበር-ቦሽ ሂደት ለግብርና እጅግ ጠቃሚ ቢሆንም፣ የአካባቢ ችግሮችንም ያስከትላል። ሃይድሮጂንን ከተፈጥሮ ጋዝ ማምረት የካርቦን ዳይኦክሳይድ ልቀትን ያስከትላል። ስለዚህ፣ ብዙ ዘመናዊ ጥናቶች የሚያተኩሩት በሚከተሉት ላይ ነው፡
- ከታዳሽ ኃይል ላይ የተመሰረተ የውሃ ኤሌክትሮላይሲስ "አረንጓዴ" ሃይድሮጂን
- በአሞኒያ ፋብሪካዎች ውስጥ የካርቦን ቀረጻ እና ማከማቻ (CCS)
- ግብረመልሶች በዝቅተኛ ግፊት ወይም የሙቀት መጠን እንዲከናወኑ አዳዲስ ካታሊስቶች ልማት

እነዚህ ጥረቶች የአሞኒያን ጉልህ ጥቅሞች - በተለይም እንደ ማዳበሪያ - ለመጠበቅ ያለሙ ሲሆን የካርቦን አሻራውን ዝቅ ለማድረግም ጭምር።

ከሲምፑላን

የሃበር-ቦሽ ሂደት በአየር ውስጥ የናይትሮጅን መረጋጋትን ለማሸነፍ እና በጅምላ የሚመረተውን አሞኒያ ለማሸነፍ የተነደፉ ተከታታይ የኢንዱስትሪ ደረጃዎች ናቸው። በመሠረቱ በከፍተኛ ግፊት፣ በተበላሸ የሙቀት መጠን፣ በጋዝ ማጣሪያ እና በመለያየት እና እንደገና ጥቅም ላይ በማዋል ስርዓት የተመቻቸ የN₂ እና H₂ ካታላይዘር-ተኮር ምላሽ ነው። ውጤቱም የአሞኒያ ምርት፣ የዘመናዊ ማዳበሪያዎች ዋና አካል እና ለአለም አቀፍ የምግብ ዋስትና ወሳኝ መሠረት ነው። የዚህ ሂደት የወደፊት ተግዳሮት ዝቅተኛ ልቀት ባላቸው የሃይድሮጂን ምንጮች እና የተሻሻለ የኢነርጂ ቅልጥፍናን በመጠቀም ለአካባቢ ተስማሚ ማድረግ ነው።