Yuav Ua Li Cas Haber Bosch Reaction Process Ua Haujlwm
Cov txheej txheem Haber-Bosch yog ib qho ntawm cov kev tshawb pom tseem ceeb tshaj plaws hauv keeb kwm ntawm kev lag luam tshuaj lom neeg vim nws tso cai rau tib neeg tsim cov ammonia (NH₃) ntawm qhov loj los ntawm ob lub roj av uas muaj ntau yam ntuj tsim: nitrogen (N₂) los ntawm huab cua thiab hydrogen (H₂), uas feem ntau tau los ntawm cov roj av lossis lwm qhov chaw. Ammonia tom qab ntawd dhau los ua cov khoom siv tseem ceeb rau cov chiv nitrogen xws li urea thiab ammonium nitrate, uas ua lub luag haujlwm tseem ceeb hauv kev nce qib kev ua liaj ua teb thoob ntiaj teb. Yog tsis muaj cov txheej txheem no, kev muaj zaub mov thoob ntiaj teb yuav raug txwv ntau dua.
Tom qab: vim li cas nitrogen thiaj nyuaj rau "ntes"?
Txawm hais tias huab cua muaj li ntawm 78% nitrogen, N₂ roj ruaj khov heev vim nws ob lub atoms nitrogen raug khi los ntawm kev sib txuas peb npaug (N≡N). Qhov kev sib txuas no yog qhov ua rau nitrogen "tsis kam" ua rau muaj kev cuam tshuam. Cov nroj tsuag yeej xav tau nitrogen los tsim cov protein thiab nucleic acids, tab sis lawv tsis tuaj yeem siv N₂ ncaj qha los ntawm huab cua. Ntuj tsim, nitrogen raug kho los ntawm qee cov kab mob lossis los ntawm xob laim, tab sis qhov nrawm ntawm cov txheej txheem ntuj no tsis txaus los ua kom tau raws li qhov xav tau ntawm kev ua liaj ua teb niaj hnub no. Qhov no yog qhov uas Haber-Bosch tuaj rau hauv: muab txoj hauv kev los "yuam" nitrogen kom ua rau muaj kev cuam tshuam los ntawm cov xwm txheej tsim thiab cov tshuaj catalysts.
Cov tshuaj tiv thaiv tseem ceeb: los ntawm nitrogen thiab hydrogen mus rau ammonia
Cov qauv tshuaj tiv thaiv tseem ceeb ntawm Haber-Bosch txheej txheem yog:
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) + cua sov
Qhov kev tshuaj tiv thaiv no rov qab tau (tuaj yeem mus rau ob qho kev taw qhia) thiab exothermic (tsim cua sov). Qhov no txhais tau tias kev tsim ammonia yog qhov nyiam ntawm qhov kub qis dua raws li lub hauv paus ntsiab lus sib npaug, tab sis ntawm qhov kub qis dhau qhov kev tshuaj tiv thaiv mus qeeb heev. Yog li ntawd, cov txheej txheem kev lag luam yuav tsum nrhiav kev pom zoo ntawm qhov nrawm ntawm kev tshuaj tiv thaiv thiab qhov sib npaug ntawm cov txiaj ntsig.
Cov theem tseem ceeb hauv cov txheej txheem Haber-Bosch
Feem ntau, cov txheej txheem kev lag luam Haber-Bosch suav nrog ntau theem: kev muab cov khoom siv raw (H₂ thiab N₂), kev ntxuav, kev nias, kev sib xyaw ua ke nrog cov tshuaj catalyst, kev sib cais ntawm ammonia, thiab kev siv cov roj tsis tau ua dua tshiab.
1. Cov chaw thiab kev tsim cov hydrogen (H₂)
Cov hydrogen rau cov txheej txheem Haber-Bosch feem ntau yog los ntawm kev hloov pauv cov roj ntuj (methane, CH₄). Cov kauj ruam suav nrog:
– Kev hloov pauv methane hauv chav (SMR): methane raug tshuaj xyuas nrog cov pa dej ntawm qhov kub siab kom tsim cov roj sib xyaw (syngas) uas muaj H₂, CO, thiab CO₂.
– Kev hloov pauv dej-roj: CO ces raug tshuaj dua nrog cov pa dej kom tsim tau CO₂ thiab ntxiv H₂.
Thaum kawg, CO₂ raug sib cais thiab cov hydrogen raug ntxuav. Hauv qee cov nroj tsuag, hydrogen kuj tuaj yeem tau los ntawm kev siv dej electrolysis, tshwj xeeb tshaj yog qhov twg muaj hluav taws xob rov ua dua tshiab, txawm hais tias qhov no feem ntau kim dua li roj av.
2. Siv nitrogen (N₂) los ntawm huab cua
Feem ntau cov pa nitrogen raug rho tawm los ntawm kev sib cais cua siv cov chav cryogenic (txias kom txias rau qhov kub qis heev) lossis lwm yam thev naus laus zis xws li kev nqus pa siab (PSA). Lub hom phiaj yog kom tau txais cov pa nitrogen uas huv siab, vim tias qee yam khoom tsis huv tuaj yeem lom cov catalyst thiab cuam tshuam rau cov tshuaj tiv thaiv.
3. Kev ntxuav roj: tshem tawm cov tshuaj lom catalyst
Cov catalysts siv hauv Haber-Bosch (feem ntau yog hlau-raws li) yog rhiab heev rau cov tshuaj xws li sulfur (S), carbon monoxide (CO), thiab ntau lwm yam impurities. Yog li ntawd, cov roj pub yuav tsum tau purified:
- Cov tshuaj sulfur raug tshem tawm siv cov adsorbents tshwj xeeb.
- CO thiab CO₂ raug tswj hwm los ntawm kev tshuaj lom neeg (hloov pauv, methanation) lossis kev sib cais lub cev / tshuaj lom neeg.
- Cov av noo (H₂O) kuj raug txo kom tsis txhob cuam tshuam rau cov txheej txheem.
Qhov kev ntxuav no tseem ceeb heev vim tias kev ua haujlwm ntawm cov nroj tsuag thiab lub neej ua haujlwm ntawm cov tshuaj lom neeg nyob ntawm qhov huv ntawm cov roj.
4. Kev nias: nce siab kom hloov qhov sib npaug
Cov tshuaj tiv thaiv tsim cov roj tsawg dua moles (los ntawm 4 moles ntawm roj mus rau 2 moles ntawm roj). Raws li Le Chatelier txoj cai, kev siab siab yuav hloov qhov sib npaug mus rau cov khoom (NH₃). Yog li ntawd, kev sib xyaw ntawm N₂ thiab H₂ raug nias rau qhov siab siab, feem ntau hauv ntau pua atmospheres hauv kev xyaum ua lag luam niaj hnub no (tus lej tseeb yuav txawv nyob ntawm tus qauv tsim ntawm lub Hoobkas).
Txawm li cas los xij, qhov siab siab txhais tau tias xav tau lub zog ntau rau lub compressor, yog li lub Hoobkas yuav tsum ua kom zoo tshaj plaws ntawm cov txiaj ntsig ammonia thiab cov nqi zog.
5. Synthesis reactor: lub luag haujlwm ntawm catalyst thiab kev ua haujlwm kub
Hauv lub reactor, ib qho sib tov ntawm N₂ thiab H₂ raug xa mus rau saum ib qho catalyst. Cov catalyst classic rau Haber-Bosch txheej txheem yog hlau (Fe) nrog cov promoters xws li potassium oxide (K₂O), txhuas oxide (Al₂O₃), thiab calcium oxide (CaO). Cov promoters pab ua kom cov catalyst ua haujlwm thiab ruaj khov.
Feem ntau qhov kub ntawm cov tshuaj tiv thaiv raug teeb tsa siab txaus kom ntseeg tau tias muaj kev sib xyaw ua ke txaus. Txawm li cas los xij, vim tias qhov kev sib xyaw ua ke ntawm ammonia yog exothermic, qhov kub siab dhau heev ua rau qhov sib npaug ntawm cov khoom sib npaug qis dua. Yog li ntawd, qhov kub tau teeb tsa hauv qhov ntau thiab tsawg uas tso cai rau cov tshuaj tiv thaiv mus sai thaum tseem muab cov khoom zoo.
Nyob rau theem molecular, cov catalysts ua haujlwm los ntawm:
– Rhuav tshem cov N≡N bonds ntawm qhov chaw catalyst (qhov no yog kauj ruam nyuaj tshaj plaws).
- Nqus H₂ thiab rhuav nws ua H atoms.
- Pab kom maj mam tsim cov N-H bonds kom txog thaum NH₃ raug tsim.
– Tso NH₃ tawm ntawm qhov chaw catalyst kom cov chaw nquag siv tau dua.
6. Kev txias thiab kev sib sau ua ke: cais cov ammonia ntawm cov roj
Tom qab tawm hauv lub reactor, cov roj sib tov muaj NH₃ nrog rau N₂ thiab H₂ uas tsis tau ua haujlwm. Cov sib tov no ces txias. Ammonia yooj yim ua kua hauv qee yam mob, ua rau nws sib cais los ntawm kev sib xyaw ua kua ammonia.
Qhov kev sib cais ua los ntawm kev sib xyaw ua ke no muaj txiaj ntsig zoo heev vim tias:
- Siv cov khoom tseem ceeb los ua kom zoo
- Txhawb kom cov tshuaj tiv thaiv txuas ntxiv mus (cov khoom raug coj mus, qhov sib npaug raug thawb mus rau cov khoom)
7. Kev siv roj rov qab dua: ua rau kev ua haujlwm zoo dua qub
Tsis yog txhua N₂ thiab H₂ raug hloov mus ua NH₃ hauv ib zaug dhau los ntawm lub reactor. Yog li ntawd, cov roj seem feem ntau raug rov ua dua rov qab rau hauv lub reactor tom qab raug cais tawm ntawm ammonia. Kev rov ua dua tshiab ua rau qhov kev hloov pauv tag nrho ntawm cov txheej txheem nce ntxiv thiab ua rau kev siv cov khoom siv raw ua haujlwm tau zoo dua.
Tib lub sijhawm, ib feem me me ntawm cov roj yuav raug "purged" kom tiv thaiv kev sib sau ua ke ntawm inerts xws li argon nqa los ntawm huab cua.
Cov yam uas cuam tshuam rau cov txiaj ntsig ntawm cov txheej txheem
Muaj peb yam tseem ceeb uas Haber-Bosch ib txwm tham txog:
1. Kev Nyuaj Siab: qhov siab dua qhov kev nyuaj siab, qhov ntau dua qhov yuav tsim NH₃.
2. Kub: qhov kub qis ua rau muaj kev sib npaug, tab sis qhov kub siab ua rau qhov kev ua kom sai dua.
3. Catalyst: ua kom qhov kev ua tiav ntawm qhov sib npaug sai dua yam tsis hloov pauv qhov chaw sib npaug nws tus kheej.
Cov lag luam xaiv cov xwm txheej ua haujlwm zoo tshaj plaws uas suav nrog kev lag luam, kev nyab xeeb, kev siv hluav taws xob zoo, thiab kev ruaj khov ntawm cov khoom siv.
Cov kev cuam tshuam niaj hnub no thiab cov teeb meem
Cov txheej txheem Haber-Bosch tau muaj txiaj ntsig zoo rau kev ua liaj ua teb, tab sis nws kuj ua rau muaj kev cov nyom rau ib puag ncig. Kev tsim cov hydrogen los ntawm cov roj ntuj tsim cov pa CO₂. Yog li ntawd, ntau qhov kev tshawb fawb niaj hnub no yog tsom mus rau:
- Hydrogen "Ntsuab" los ntawm kev siv hluav taws xob los ua dej los ntawm lub zog rov ua dua tshiab
- Kev ntes thiab khaws cia cov pa roj carbon (CCS) hauv cov nroj tsuag ammonia
– Kev tsim cov catalysts tshiab kom cov tshuaj tiv thaiv tuaj yeem tshwm sim ntawm qhov siab lossis qhov kub qis dua
Cov kev siv zog no lub hom phiaj yog kom tswj tau cov txiaj ntsig tseem ceeb ntawm ammonia - tshwj xeeb tshaj yog ua chiv - thaum txo nws cov pa roj carbon dioxide.
Xaus
Cov txheej txheem Haber-Bosch yog ib qho ntawm cov kauj ruam kev lag luam uas tsim los kov yeej qhov kev ruaj khov ntawm nitrogen hauv huab cua thiab tsim cov ammonia ntau heev. Nws yog qhov tseem ceeb ntawm cov tshuaj tiv thaiv ntawm N₂ thiab H₂, ua kom zoo dua los ntawm kev kub siab, qhov kub tsis zoo, kev ntxuav roj, thiab kev sib cais thiab rov ua dua tshiab. Qhov tshwm sim yog kev tsim cov ammonia, lub hauv paus ntawm cov chiv niaj hnub thiab lub hauv paus tseem ceeb rau kev ruaj ntseg zaub mov thoob ntiaj teb. Qhov kev sib tw tseem ceeb rau yav tom ntej ntawm cov txheej txheem no yog ua kom nws zoo dua rau ib puag ncig los ntawm cov chaw hydrogen uas tsis muaj pa phem thiab txhim kho kev siv hluav taws xob zoo.
