Haber Bosch Reaksiya Prosesi Necə İşləyir
Haber-Bosch prosesi sənaye kimyası tarixində ən vacib kəşflərdən biridir, çünki insanlara təbii olaraq bol olan iki qazdan - havadan azot (N₂) və ümumiyyətlə təbii qazdan və ya digər mənbələrdən əldə edilən hidrogendən (H₂) geniş miqyasda ammonyak (NH₃) istehsal etməyə imkan verir. Ammonyak daha sonra qlobal kənd təsərrüfatı məhsuldarlığının artırılmasında əsas rol oynayan karbamid və ammonium nitrat kimi azot gübrələri üçün əsas xammala çevrilir. Bu proses olmasaydı, qlobal qida mövcudluğu daha məhdud olardı.
Arxa plan: azotu "tutmaq" niyə çətindir?
Havanın tərkibində təxminən 78% azot olsa da, N₂ qazı çox sabitdir, çünki onun iki azot atomu güclü üçlü rabitə (N≡N) ilə bağlıdır. Bu rabitə azotun reaksiyaya girməsini “istəksiz” edir. Bitkilər əslində zülallar və nuklein turşuları əmələ gətirmək üçün azota ehtiyac duyurlar, lakin onlar havadan birbaşa N₂ istifadə edə bilmirlər. Təbii ki, azot müəyyən bakteriyalar və ya ildırım vasitəsilə sabitlənir, lakin bu təbii proseslərin sürəti müasir kənd təsərrüfatının ehtiyaclarını ödəmək üçün kifayət deyil. Məhz burada Haber-Bosch işə düşür: azotu mühəndislik şəraiti və katalizatorlar vasitəsilə reaksiyaya “məcbur etmək” üçün bir yol təqdim edir.
Əsas reaksiya: azot və hidrogendən ammonyaklara
Haber-Bosch prosesinin əsas reaksiya tənliyi:
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) + istilik
Bu reaksiya geri dönüşlüdür (hər iki istiqamətdə gedə bilər) və ekzotermikdir (istilik əmələ gətirir). Bu o deməkdir ki, tarazlıq prinsipinə əsasən daha aşağı temperaturlarda ammonyak əmələ gəlməsi üstünlük təşkil edir, lakin çox aşağı temperaturda reaksiya çox yavaş gedir. Buna görə də, sənaye prosesləri reaksiya sürəti ilə tarazlıq məhsuldarlığı arasında bir uzlaşma tapmalıdır.
Haber-Bosch prosesinin əsas mərhələləri
Ümumiyyətlə, Haber-Bosch sənaye prosesi bir neçə mərhələdən ibarətdir: xammalın (H₂ və N₂) təmin edilməsi, təmizlənməsi, sıxılması, katalizatorla sintez reaksiyası, ammonyakın ayrılması və reaksiyaya girməmiş qazın təkrar emalı.
1. Hidrogenin (H₂) mənbələri və istehsalı
Haber-Bosch prosesi üçün hidrogen əksər hallarda təbii qazın (metan, CH₄) reformasiyasından əldə edilir. Mərhələlərə aşağıdakılar daxildir:
– Buxar metan islahat (SMR): metan yüksək temperaturda su buxarı ilə reaksiyaya girərək H₂, CO və CO₂ tərkibli qaz qarışığı (sintez qazı) əmələ gətirir.
– Su-qaz yerdəyişməsi reaksiyası: CO daha sonra CO₂ əmələ gətirmək və H₂ əlavə etmək üçün yenidən su buxarı ilə reaksiyaya girir.
Nəhayət, CO₂ ayrılır və hidrogen təmizlənir. Bəzi zavodlarda, xüsusən də bərpa olunan elektrik enerjisinin mövcud olduğu yerlərdə, hidrogen su elektrolizindən də əldə edilə bilər, baxmayaraq ki, bu, çox vaxt təbii qazdan daha iqtisadi cəhətdən baha başa gəlir.
2. Havadan azotun (N₂) götürülməsi
Azot ümumiyyətlə kriogen qurğular (çox aşağı temperaturlara qədər soyutma) və ya təzyiq dəyişkən adsorbsiyası (PSA) kimi digər texnologiyalardan istifadə edərək hava ayırma yolu ilə çıxarılır. Məqsəd yüksək təmizlikli azot əldə etməkdir, çünki müəyyən çirkləndiricilər katalizatoru zəhərləyə və reaksiyaya mane ola bilər.
3. Qazın təmizlənməsi: katalizator "zəhərlərinin" təmizlənməsi
Haber-Bosch-da istifadə olunan katalizatorlar (adətən dəmir əsaslı) kükürd (S), karbonmonoksit (CO) və bir sıra digər çirklər kimi birləşmələrə çox həssasdır. Buna görə də, qidalandırıcı qaz təmizlənməlidir:
– Kükürd birləşmələri xüsusi adsorbentlər vasitəsilə təmizlənir.
– CO və CO₂ kimyəvi reaksiyalar (dəyişmə, metanlaşma) və ya fiziki/kimyəvi ayrılma yolu ilə emal olunur.
– Prosesə mane olmamaq üçün rütubət (H₂O) da azaldılır.
Bu təmizləmə çox vacibdir, çünki qurğunun səmərəliliyi və katalizatorun ömrü qazın təmizliyindən çox asılıdır.
4. Sıxılma: tarazlığı dəyişdirmək üçün təzyiqin artırılması
Reaksiya daha az mol qaz istehsal edir (4 mol qazdan 2 mol qaza qədər). Le Şatelye prinsipinə görə, yüksək təzyiq tarazlığı məhsula (NH₃) doğru sürüşdürəcək. Buna görə də, N₂ və H₂ qarışığı müasir sənaye təcrübəsində yüzlərlə atmosferdə yüksək təzyiqlərə qədər sıxılır (dəqiq say zavodun dizaynından asılı olaraq dəyişə bilər).
Lakin, yüksək təzyiq kompressor üçün böyük enerji tələbatı deməkdir, buna görə də zavod ammonyak məhsuldarlığı ilə enerji xərcləri arasında optimallaşdırılmalıdır.
5. Sintez reaktoru: katalizatorun rolu və işləmə temperaturu
Reaktorda N₂ və H₂ qarışığı katalizatorun üzərindən keçirilir. Haber-Bosch prosesi üçün klassik katalizator kalium oksidi (K₂O), alüminium oksidi (Al₂O₃) və kalsium oksidi (CaO) kimi promotorlarla birlikdə dəmirdir (Fe). Promotorlar katalizatorun aktivliyini və sabitliyini artırmağa kömək edir.
Reaksiya temperaturu ümumiyyətlə kifayət qədər reaksiya sürətini təmin etmək üçün kifayət qədər yüksək təyin edilir. Lakin, ammonyak əmələ gəlmə reaksiyası ekzotermik olduğundan, həddindən artıq yüksək temperaturlar tarazlıq məhsuldarlığını əslində aşağı salır. Buna görə də, temperatur reaksiyanın sürətlə davam etməsinə və eyni zamanda yaxşı məhsuldarlıq verməsinə imkan verən güzəşt diapazonunda təyin olunur.
Molekulyar səviyyədə katalizatorlar aşağıdakı kimi işləyir:
– Katalizator səthində N≡N rabitələrinin qırılması (bu, ən çətin addımdır).
– H₂-ı adsorbsiya edir və onu H atomlarına parçalayır.
– NH₃ əmələ gələnə qədər N–H rabitələrinin tədricən əmələ gəlməsinə kömək edir.
– Aktiv mərkəzlərin təkrar istifadə edilə bilməsi üçün katalizator səthindən NH₃-un ayrılması.
6. Soyutma və kondensasiya: ammonyakın qazdan ayrılması
Reaktordan çıxdıqdan sonra qaz qarışığı NH₃, eləcə də reaksiyaya girməmiş N₂ və H₂ ehtiva edir. Daha sonra bu qarışıq soyudulur. Ammonyak müəyyən şərtlər altında asanlıqla mayeləşir və bu da onun kondensasiya yolu ilə maye ammonyak halına salınmasına imkan verir.
Bu kondensasiya əsaslı ayrılma çox faydalıdır, çünki:
– Əsas məhsulu səmərəli şəkildə əldə edin
– Reaksiyanı davam etdirməyə təşviq edir (məhsullar alınır, tarazlıq məhsullara doğru irəliləyir)
7. Qazın təkrar emalı: ümumi səmərəliliyi artırır
Bütün N₂ və H₂ reaktordan tək bir keçiddə NH₃-a çevrilmir. Buna görə də, qalan qaz, adətən, ammonyakdan ayrıldıqdan sonra reaktora geri çevrilir. Təkrar emal prosesin ümumi çevrilmə sürətini əhəmiyyətli dərəcədə artırır və xammal istifadəsini daha səmərəli edir.
Eyni zamanda, havadan keçən argon kimi inert maddələrin yığılmasının qarşısını almaq üçün qazın kiçik bir hissəsi "təmizlənə" bilər.
Prosesin nəticələrinə təsir edən amillər
Haber-Bosch-da həmişə müzakirə olunan üç əsas amil var:
1. Təzyiq: təzyiq nə qədər yüksəkdirsə, NH₃ əmələ gəlmə meyli də bir o qədər yüksəkdir.
2. Temperatur: aşağı temperatur tarazlığa kömək edir, lakin yüksək temperatur reaksiya sürətini sürətləndirir.
3. Katalizator: tarazlıq vəziyyətini dəyişdirmədən tarazlığa nail olmağı sürətləndirir.
Sənaye müəssisələri iqtisadiyyat, təhlükəsizlik, enerji səmərəliliyi və avadanlıqların davamlılığını nəzərə alan optimal iş şəraiti seçirlər.
Müasir təsirlər və çətinliklər
Haber-Bosch prosesi kənd təsərrüfatı üçün əvəzsiz olsa da, eyni zamanda ekoloji problemlər yaradır. Təbii qazdan hidrogen istehsalı CO₂ emissiyalarına səbəb olur. Buna görə də, müasir tədqiqatların əksəriyyəti aşağıdakılara yönəlib:
– Bərpa olunan enerji əsaslı su elektrolizindən əldə edilən “yaşıl” hidrogen
– Ammonyak zavodlarında karbon tutma və saxlama (CCS)
– Reaksiyaların daha aşağı təzyiqlərdə və ya temperaturda baş verə bilməsi üçün yeni katalizatorların hazırlanması
Bu səylər ammonyakın, xüsusən də gübrə kimi əhəmiyyətli faydalarını qoruyub saxlamağı və eyni zamanda karbon izini azaltmağı hədəfləyir.
Nəticə
Haber-Bosch prosesi havadakı azotun sabitliyini aradan qaldırmaq və ammonyakın kütləvi istehsalı üçün hazırlanmış bir sıra sənaye addımlarıdır. Bu, əsasən, yüksək təzyiq, güzəştli temperaturlar, qazın təmizlənməsi və ayrılma və təkrar emal sistemi vasitəsilə optimallaşdırılmış N₂ və H₂-nin katalizatorla idarə olunan reaksiyasıdır. Nəticədə, müasir gübrələrin əsasını təşkil edən və qlobal ərzaq təhlükəsizliyi üçün vacib təməl olan ammonyak istehsal olunur. Bu prosesin gələcəyi üçün əsas çətinlik, aşağı emissiyalı hidrogen mənbələri və təkmilləşdirilmiş enerji səmərəliliyi vasitəsilə onu daha ekoloji cəhətdən təmiz etməkdir.
