Pêvajoya Reaksiyona Haber Bosch Çawa Dixebite
Pêvajoya Haber-Bosch yek ji keşfên herî girîng di dîroka kîmyaya pîşesaziyê de ye ji ber ku ew dihêle ku mirov di pîvanek mezin de ji du gazên xwezayî yên pir amonyak (NH₃) hilberînin: nîtrojen (N₂) ji hewayê û hîdrojen (H₂), ku bi gelemperî ji gaza xwezayî an çavkaniyên din tê wergirtin. Dûv re amonyak dibe madeya xav a sereke ji bo gubreya nîtrojenê ya wekî urea û nîtrata amonyûmê, ku roleke sereke di zêdekirina hilberîna çandiniyê ya cîhanî de dilîzin. Bêyî vê pêvajoyê, hebûna xwarinê ya cîhanî dê bi îhtîmalek mezin pir sînordar be.
Paşxane: çima "girtina nîtrojenê" dijwar e?
Her çend hewa bi qasî %78 nîtrojenê dihewîne jî, gaza N₂ pir aram e ji ber ku her du atomên nîtrojenê yên wê bi girêdanek sêalî ya bihêz (N≡N) ve girêdayî ne. Ev girêdan ew e ku nîtrojenê "naxwaze" reaksiyonê nîşan bide. Bi rastî, nebat ji bo çêkirina proteîn û asîdên nukleîk hewceyê nîtrojenê ne, lê ew nikarin rasterast N₂ ji hewayê bikar bînin. Bi xwezayî, nîtrojen ji hêla hin bakteriyan an jî bi rêya birûskê ve tê girêdan, lê rêjeya van pêvajoyên xwezayî têrê nake ku hewcedariyên çandiniya nûjen bicîh bîne. Li vir e ku Haber-Bosch tê de cih digire: rêyek peyda dike ku nîtrojenê "bi zorê" bi rêya şert û mercên endezyarî û katalîzatoran reaksiyonê nîşan bide.
Reaksiyona sereke: ji nîtrojen û hîdrojenê ber bi amonyakê ve
Hevkêşeya reaksiyonê ya bingehîn a pêvajoya Haber-Bosch ev e:
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) + germahî
Ev reaksiyon berevajî ye (dikare di her du aliyan de bidome) û exothermîk e (germahî hildiberîne). Ev tê vê wateyê ku li gorî prensîba hevsengiyê, çêbûna amonyakê di germahiyên nizm de tê tercîhkirin, lê di germahiyên pir nizm de reaksiyon pir hêdî bidome. Ji ber vê yekê, pêvajoyên pîşesaziyê divê di navbera rêjeya reaksiyonê û berdêla hevsengiyê de lihevhatinek bibînin.
Gavên sereke yên pêvajoya Haber-Bosch
Bi gelemperî, pêvajoya pîşesaziyê ya Haber-Bosch çend qonaxan dihewîne: dabînkirina madeyên xav (H₂ û N₂), paqijkirin, pêçandin, reaksiyona sentezê bi katalîzatorek re, veqetandina amonyakê, û vezîvirandina gaza nereaktîf.
1. Çavkanî û hilberîna hîdrojenê (H₂)
Hîdrojen ji bo pêvajoya Haber-Bosch pir caran ji reformkirina gaza xwezayî (metan, CH₄) tê. Gav ev in:
– Reformkirina metana bi buharê (SMR): metan di germahiyên bilind de bi buhara avê re reaksiyonê dike da ku tevlîheviyek gazê (sîngas) çêbike ku H₂, CO, û CO₂ dihewîne.
– Reaksiyona veguhestina av-gazê: Dû re CO dîsa bi buhara avê re reaksiyonê dike da ku CO₂ çêbike û H₂ lê zêde bike.
Di dawiyê de, CO₂ tê veqetandin û hîdrojen tê paqijkirin. Di hin santralan de, hîdrojen dikare ji elektroliza avê jî were wergirtin, nemaze li cihên ku elektrîka nûjenkirî heye, her çend ev yek pir caran ji hêla aborî ve ji gaza xwezayî bihatir be.
2. Wergirtina nîtrojenê (N₂) ji hewayê
Bi gelemperî nîtrojen bi rêya veqetandina hewayê bi karanîna yekîneyên krîyojenîk (sarkirina heta germahiyên pir nizm) an teknolojiyên din ên wekî adsorpsiyona zivirîna zextê (PSA) tê derxistin. Armanc ew e ku nîtrojenek bi paqijiya bilind were bidestxistin, ji ber ku hin gemar dikarin katalîzatorê jehrî bikin û mudaxeleyî reaksiyonê bikin.
3. Paqijkirina gazê: rakirina "jehrên" katalîzator
Katalîzatorên ku di Haber-Bosch de têne bikar anîn (bi gelemperî li ser bingeha hesin in) li hember pêkhateyên wekî sulfur (S), karbonmonoksît (CO), û çend qirêjiyên din pir hesas in. Ji ber vê yekê, divê gaza xwarinê were paqijkirin:
- Têkelên sulfur bi karanîna adsorbentên taybetî têne rakirin.
– CO û CO₂ bi rêya reaksiyonên kîmyewî (guherîn, metanasyon) an jî veqetandina fîzîkî/kîmyewî têne çareserkirin.
- Her wiha şilbûn (H₂O) kêm dibe da ku mudaxeleyî pêvajoyê nebe.
Ev paqijkirin pir girîng e ji ber ku karîgeriya santral û temenê katalîzatorê bi giranî bi paqijiya gazê ve girêdayî ye.
4. Pêlkirin: zêdebûna zextê ji bo guhertina hevsengiyê
Reaksiyon kêmtir molên gazê çêdike (ji 4 molên gazê bo 2 molên gazê). Li gorî prensîba Le Chatelier, zexta bilind dê hevsengiyê ber bi berhemê (NH₃) ve biguhezîne. Ji ber vê yekê, tevlîheviyek ji N₂ û H₂ heta zextên bilind tê pêçandin, pir caran di pratîka pîşesaziya nûjen de di sedan atmosferan de (hejmara rast dikare li gorî sêwirana santralê biguhere).
Lêbelê, zexta bilind tê wateya pêdiviyên mezin ên enerjiyê ji bo kompresorê, ji ber vê yekê santral divê di navbera hilberîna amonyakê û lêçûnên enerjiyê de çêtirîn bike.
5. Reaktorê sentezê: rola katalîzator û germahiya xebitandinê
Di reaktorê de, tevlîheviyek ji N₂ û H₂ li ser katalîzatorek tê derbaskirin. Katalîzatorê klasîk ji bo pêvajoya Haber-Bosch hesin (Fe) ye ku xwedî pêşvebirên wekî oksîda potasyûmê (K₂O), oksîda alumînyûmê (Al₂O₃), û oksîda kalsiyûmê (CaO) ye. Pêşvebir alîkariya zêdekirina çalakî û aramiya katalîzatorê dikin.
Germahiya reaksiyonê bi gelemperî têra xwe bilind tê danîn da ku rêjeya reaksiyonê ya têrker misoger bike. Lêbelê, ji ber ku reaksiyona çêbûna amonyakê eksotermîk e, germahiyên pir zêde di rastiyê de berdêla hevsengiyê kêm dikin. Ji ber vê yekê, germahî di nav rêzek lihevhatî de tê danîn ku dihêle reaksiyon bi lez pêşve biçe dema ku hîn jî berdêlên baş dide.
Di asta molekulî de, katalîzator bi vî rengî dixebitin:
- Şikandina girêdanên N≡N li ser rûyê katalîzatorê (ev gava herî dijwar e).
– H₂ dikişîne û wê parçe dike bo atomên H.
- Alîkariya pêkhatina hêdî hêdî ya girêdanên N-H dike heta ku NH₃ çêbibe.
- Berdana NH₃ ji rûyê katalîzator da ku cihên çalak ji nû ve werin bikar anîn.
6. Sarkirin û kondensasyon: veqetandina amonyakê ji gazê
Piştî derketina ji reaktorê, têkelê gazê hem NH₃ û hem jî N₂ û H₂ yên ku reaksiyon nîşan nedane dihewîne. Piştre ev têkel tê sarkirin. Amonyak di bin hin mercan de bi hêsanî şile dibe, û dihêle ku ew bi kondensasyonê veqete û bibe amonyaka şile.
Ev veqetandina li ser bingeha kondensasyonê pir bikêrhatî ye ji ber ku:
- Bi bandor hilberîna sereke peyda bikin
- Berdewamiya reaksiyonê teşwîq dike (berhem tên girtin, hevsengî ber bi berheman ve tê kişandin)
7. Vegerandina gazê: karîgeriya giştî zêde dike
Ne hemû N₂ û H₂ di yek derbasbûnê de di reaktorê re vediguherin NH₃. Ji ber vê yekê, gaza mayî bi gelemperî piştî ku ji amonyakê tê veqetandin, dîsa vedigere reaktorê. Vegerandin rêjeya veguherîna giştî ya pêvajoyê bi girîngî zêde dike û karanîna madeya xav bi bandortir dike.
Di heman demê de, beşek piçûk ji gazê dikare were "paqijkirin" da ku pêşî li kombûna madeyên bêbandor ên wekî argonê ku ji hewayê ve tê hilgirtin were girtin.
Faktorên ku bandorê li encamên pêvajoyê dikin
Sê faktorên sereke hene ku her gav di Haber-Bosch de têne nîqaş kirin:
1. Zext: her ku zext bilindtir be, meyla hilberandina NH₃ jî ewqas mezintir dibe.
2. Germahî: germahiyên nizm hevsengiyê pêş dixin, lê germahiyên bilind leza reaksiyonê zûtir dikin.
3. Katalîzator: bêyî ku pozîsyona hevsengiyê bi xwe biguherîne, gihîştina hevsengiyê lez dike.
Pîşesazî şert û mercên xebitandinê yên çêtirîn hildibijêrin ku aboriyê, ewlehî, karîgeriya enerjiyê û domdariya alavan li ber çavan digirin.
Pirsgirêk û bandor li ser rewşa îroyîn
Pêvajoya Haber-Bosch ji bo çandiniyê pir biqîmet bûye, lê di heman demê de ew di heman demê de pirsgirêkên jîngehê jî derdixe holê. Hilberîna hîdrojenê ji gaza xwezayî dibe sedema belavbûna CO₂. Ji ber vê yekê, piraniya lêkolînên nûjen li ser van mijaran têne kirin:
- Hîdrojena "kesk" ji elektrolîza avê ya li ser bingeha enerjiya nûjenkirî
- Girtin û depokirina karbonê (CCS) di santralên amonyakê de
- Pêşxistina katalîzatorên nû da ku reaksiyon di zext an germahiyên nizm de pêk werin
Armanca van hewildanan ew e ku feydeyên girîng ên amonyakê -nemaze wekî gubre- biparêzin di heman demê de şopa karbona wê kêm bikin.
Xelasî
Pêvajoya Haber-Bosch rêze gavên pîşesaziyê ye ku ji bo derbaskirina aramiya nîtrojenê di hewayê de û hilberîna girseyî ya amonyakê hatine çêkirin. Ew di bingeh de reaksiyonek katalîzator a N₂ û H₂ ye, ku bi zexta bilind, germahiyên kêmkirî, paqijkirina gazê, û pergala veqetandin û vezîvirandinê ve hatî çêtirkirin. Encam hilberîna amonyakê ye, ku bingeha gubreya nûjen û bingehek girîng ji bo ewlehiya xwarinê ya gerdûnî ye. Pirsgirêka sereke ji bo pêşeroja vê pêvajoyê ew e ku bi rêya çavkaniyên hîdrojenê yên kêm-emîsyon û baştirkirina karîgeriya enerjiyê, ew ji bo jîngehê dostanetir bibe.
