Haber Bosch တုံ့ပြန်မှုလုပ်ငန်းစဉ် မည်သို့အလုပ်လုပ်သည်
Haber-Bosch လုပ်ငန်းစဉ်သည် စက်မှုဓာတုဗေဒသမိုင်းတွင် အရေးအကြီးဆုံး ရှာဖွေတွေ့ရှိမှုများထဲမှ တစ်ခုဖြစ်သည်။ အဘယ်ကြောင့်ဆိုသော် ၎င်းသည် လူသားများအား သဘာဝအတိုင်း ပေါများသော ဓာတ်ငွေ့နှစ်မျိုးဖြစ်သည့် လေထဲမှ နိုက်ထရိုဂျင် (N₂) နှင့် သဘာဝဓာတ်ငွေ့ သို့မဟုတ် အခြားရင်းမြစ်များမှ ရရှိသော ဟိုက်ဒရိုဂျင် (H₂) မှ အမိုးနီးယား (NH₃) ကို ကြီးမားသော ပမာဏဖြင့် ထုတ်လုပ်နိုင်စေသောကြောင့်ဖြစ်သည်။ ထို့နောက် အမိုးနီးယားသည် ယူရီးယားနှင့် အမိုးနီးယားနိုက်ထရိတ်ကဲ့သို့သော နိုက်ထရိုဂျင်ဓာတ်မြေဩဇာများအတွက် အဓိကကုန်ကြမ်းဖြစ်လာပြီး ကမ္ဘာလုံးဆိုင်ရာ စိုက်ပျိုးရေးထုတ်လုပ်မှု မြှင့်တင်ရာတွင် အဓိကအခန်းကဏ္ဍမှ ပါဝင်ပါသည်။ ဤလုပ်ငန်းစဉ်မရှိပါက ကမ္ဘာလုံးဆိုင်ရာ အစားအစာရရှိနိုင်မှုသည် များစွာကန့်သတ်ခံရဖွယ်ရှိသည်။
နောက်ခံ- နိုက်ထရိုဂျင်ကို “ဖမ်းယူ” ရန် အဘယ်ကြောင့် ခက်ခဲရသနည်း။
လေထုတွင် နိုက်ထရိုဂျင် ၇၈% ခန့်ပါဝင်သော်လည်း၊ N₂ ဓာတ်ငွေ့သည် ၎င်း၏ နိုက်ထရိုဂျင်အက်တမ်နှစ်ခုကို ခိုင်မာသော သုံးဆနှောင်ကြိုး (N≡N) ဖြင့် ချည်နှောင်ထားသောကြောင့် အလွန်တည်ငြိမ်ပါသည်။ ဤနှောင်ကြိုးသည် နိုက်ထရိုဂျင်ကို ဓာတ်ပြုရန် "တွန့်ဆုတ်" စေသည်။ အပင်များသည် ပရိုတင်းနှင့် နျူကလစ်အက်ဆစ်များဖွဲ့စည်းရန် နိုက်ထရိုဂျင်ကို အမှန်တကယ်လိုအပ်သော်လည်း ၎င်းတို့သည် လေထဲမှ N₂ ကို တိုက်ရိုက်အသုံးမပြုနိုင်ပါ။ သဘာဝအတိုင်း၊ နိုက်ထရိုဂျင်ကို အချို့သော ဘက်တီးရီးယားများက သို့မဟုတ် မိုးကြိုးများမှတစ်ဆင့် ပြုပြင်ထားသော်လည်း၊ ဤသဘာဝလုပ်ငန်းစဉ်များ၏နှုန်းသည် ခေတ်မီစိုက်ပျိုးရေး၏ လိုအပ်ချက်များကို ဖြည့်ဆည်းရန် မလုံလောက်ပါ။ ဤနေရာတွင် Haber-Bosch ဝင်လာသည်- အင်ဂျင်နီယာအခြေအနေများနှင့် ဓာတ်ကူပစ္စည်းများမှတစ်ဆင့် နိုက်ထရိုဂျင်ကို "အတင်းအကျပ်" ဓာတ်ပြုရန် နည်းလမ်းတစ်ခု ပံ့ပိုးပေးခြင်း။
အဓိကတုံ့ပြန်မှု- နိုက်ထရိုဂျင်နှင့် ဟိုက်ဒရိုဂျင်မှ အမိုးနီးယားသို့
Haber-Bosch လုပ်ငန်းစဉ်၏ အဓိက ဓာတ်ပြုမှု ညီမျှခြင်းမှာ-
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) + အပူ
ဤဓာတ်ပြုမှုသည် ပြောင်းပြန်လှန်နိုင်သည် (နှစ်ဖက်စလုံးသို့ ရွေ့လျားနိုင်သည်) နှင့် အပူထုတ်သည် (အပူထုတ်ပေးသည်)။ ဆိုလိုသည်မှာ မျှခြေနိယာမအရ အပူချိန်နိမ့်သောအခါတွင် အမိုးနီးယားဖွဲ့စည်းခြင်းသည် အကျိုးဖြစ်ထွန်းသော်လည်း အပူချိန်အလွန်နိမ့်သောအခါတွင် ဓာတ်ပြုမှုသည် အလွန်နှေးကွေးစွာ ရွေ့လျားသည်။ ထို့ကြောင့် စက်မှုလုပ်ငန်းစဉ်များသည် ဓာတ်ပြုမှုနှုန်းနှင့် မျှခြေအထွက်နှုန်းအကြား ညှိနှိုင်းမှုကို ရှာဖွေရမည်။
Haber-Bosch လုပ်ငန်းစဉ်၏ အဓိကအဆင့်များ
ယေဘုယျအားဖြင့် Haber-Bosch စက်မှုလုပ်ငန်းစဉ်တွင် အဆင့်များစွာပါဝင်သည်- ကုန်ကြမ်းများ (H₂ နှင့် N₂) ထောက်ပံ့ပေးခြင်း၊ သန့်စင်ခြင်း၊ ဖိသိပ်ခြင်း၊ ဓာတ်ကူပစ္စည်းဖြင့် ပေါင်းစပ်ဓာတ်ပြုခြင်း၊ အမိုးနီးယား ခွဲထုတ်ခြင်းနှင့် ဓာတ်မတည့်သောဓာတ်ငွေ့ကို ပြန်လည်အသုံးပြုခြင်း။
၁။ ဟိုက်ဒရိုဂျင် (H₂) ၏ အရင်းအမြစ်များနှင့် ထုတ်လုပ်မှု
Haber-Bosch လုပ်ငန်းစဉ်အတွက် ဟိုက်ဒရိုဂျင်သည် သဘာဝဓာတ်ငွေ့ (မီသိန်း၊ CH₄) ကို ပြုပြင်ခြင်းမှ အများဆုံးရရှိလေ့ရှိသည်။ အဆင့်များတွင် အောက်ပါတို့ပါဝင်သည်-
– ရေနွေးငွေ့မီသိန်းပြုပြင်ပြောင်းလဲခြင်း (SMR): မီသိန်းသည် H₂၊ CO နှင့် CO₂ ပါ၀င်သော ဓာတ်ငွေ့အရောအနှော (syngas) ကို ထုတ်လုပ်ရန် ရေငွေ့နှင့် မြင့်မားသောအပူချိန်တွင် ဓာတ်ပြုသည်။
– ရေ-ဓာတ်ငွေ့ ရွေ့လျားမှု တုံ့ပြန်မှု- ထို့နောက် CO သည် CO₂ ထုတ်လုပ်ပြီး H₂ ထည့်ရန် ရေငွေ့နှင့် ထပ်မံ ဓာတ်ပြုသည်။
နောက်ဆုံးတွင် CO₂ ကို ခွဲထုတ်ပြီး ဟိုက်ဒရိုဂျင်ကို သန့်စင်သည်။ အချို့သော စက်ရုံများတွင် ဟိုက်ဒရိုဂျင်ကို ရေလျှပ်စစ်ဓာတ်ခွဲခြင်းမှလည်း ရရှိနိုင်သော်လည်း အထူးသဖြင့် ပြန်လည်ပြည့်ဖြိုးမြဲလျှပ်စစ်ဓာတ်အား ရရှိနိုင်သည့်နေရာများတွင် သဘာဝဓာတ်ငွေ့ထက် စီးပွားရေးအရ ပိုမိုစျေးကြီးလေ့ရှိသည်။
၂။ လေထဲမှ နိုက်ထရိုဂျင် (N₂) ရယူခြင်း
နိုက်ထရိုဂျင်ကို cryogenic units (အပူချိန်အလွန်နိမ့်အောင်အအေးခံခြင်း) သို့မဟုတ် pressure swing adsorption (PSA) ကဲ့သို့သော အခြားနည်းပညာများကို အသုံးပြု၍ လေခွဲခြင်းမှတစ်ဆင့် ယေဘုယျအားဖြင့် ထုတ်ယူသည်။ အချို့သော ညစ်ညမ်းပစ္စည်းများသည် catalyst ကို အဆိပ်သင့်စေပြီး ဓာတ်ပြုမှုကို အနှောင့်အယှက်ဖြစ်စေနိုင်သောကြောင့် ရည်မှန်းချက်မှာ မြင့်မားသောသန့်စင်မှုရှိသော နိုက်ထရိုဂျင်ကို ရရှိရန်ဖြစ်သည်။
၃။ ဓာတ်ငွေ့သန့်စင်ခြင်း- ဓာတ်ကူပစ္စည်း “အဆိပ်အတောက်များ” ကို ဖယ်ရှားခြင်း
Haber-Bosch (များသောအားဖြင့် သံအခြေခံ) တွင်အသုံးပြုသော ဓာတ်ကူပစ္စည်းများသည် ဆာလ်ဖာ (S)၊ ကာဗွန်မိုနောက်ဆိုဒ် (CO) နှင့် အခြားမသန့်စင်သော ဒြပ်ပေါင်းများကို အလွန်ထိခိုက်လွယ်ပါသည်။ ထို့ကြောင့်၊ ထည့်သွင်းဓာတ်ငွေ့ကို သန့်စင်ရမည်-
– ဆာလ်ဖာဒြပ်ပေါင်းများကို အထူးစုပ်ယူပစ္စည်းများကို အသုံးပြု၍ ဖယ်ရှားသည်။
– CO နှင့် CO₂ ကို ဓာတုဗေဒ ဓာတ်ပြုမှုများ (ပြောင်းလဲခြင်း၊ မီသိန်းဓာတ်ပြုမှု) သို့မဟုတ် ရုပ်ပိုင်းဆိုင်ရာ/ဓာတုဗေဒ ခွဲထုတ်ခြင်းမှတစ်ဆင့် ကိုင်တွယ်သည်။
– လုပ်ငန်းစဉ်ကို မနှောင့်ယှက်စေရန် စိုထိုင်းဆ (H₂O) ကိုလည်း လျှော့ချပေးပါသည်။
ဤသန့်စင်မှုသည် အလွန်အရေးကြီးပါသည်၊ အဘယ်ကြောင့်ဆိုသော် စက်ရုံ၏ စွမ်းဆောင်ရည်နှင့် ဓာတ်ကူပစ္စည်းသက်တမ်းသည် ဓာတ်ငွေ့သန့်ရှင်းမှုပေါ်တွင် များစွာမူတည်သောကြောင့်ဖြစ်သည်။
၄။ ဖိသိပ်မှု- မျှခြေကိုပြောင်းလဲရန် ဖိအားတိုးမြှင့်ခြင်း
ဓာတ်ပြုမှုကြောင့် ဓာတ်ငွေ့မိုလ်အနည်းငယ်သာ ထုတ်လုပ်သည် (ဓာတ်ငွေ့မိုလ် ၄ မှ ဓာတ်ငွေ့မိုလ် ၂ အထိ)။ Le Chatelier ၏ နိယာမအရ မြင့်မားသောဖိအားသည် မျှခြေကို ထုတ်ကုန် (NH₃) ဆီသို့ ရွှေ့ပေးလိမ့်မည်။ ထို့ကြောင့် N₂ နှင့် H₂ ရောစပ်ထားသောအရာကို ခေတ်သစ်စက်မှုလုပ်ငန်းတွင် မကြာခဏဆိုသလို လေထုရာပေါင်းများစွာတွင် မြင့်မားသောဖိအားများအဖြစ် ဖိသိပ်လေ့ရှိသည် (တိကျသောအရေအတွက်သည် စက်ရုံဒီဇိုင်းပေါ် မူတည်၍ ကွဲပြားနိုင်သည်)။
သို့သော် ဖိအားမြင့်မားခြင်းသည် ကွန်ပရက်ဆာအတွက် စွမ်းအင်လိုအပ်ချက် များပြားခြင်းကို ဆိုလိုသောကြောင့် စက်ရုံသည် အမိုးနီးယားထွက်ရှိမှုနှင့် စွမ်းအင်ကုန်ကျစရိတ်များအကြား အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင် လုပ်ဆောင်ရမည်။
၅။ ပေါင်းစပ်ဓာတ်ပေါင်းဖို- ဓာတ်ကူပစ္စည်းနှင့် လည်ပတ်မှုအပူချိန်၏ အခန်းကဏ္ဍ
ဓာတ်ပေါင်းဖိုတွင် N₂ နှင့် H₂ ရောစပ်ထားသော အရာတစ်ခုကို ဓာတ်ကူပစ္စည်းပေါ်သို့ ဖြတ်သန်းသွားသည်။ Haber-Bosch လုပ်ငန်းစဉ်အတွက် ဂန္ထဝင်ဓာတ်ကူပစ္စည်းမှာ သံ (Fe) ဖြစ်ပြီး ပိုတက်စီယမ်အောက်ဆိုဒ် (K₂O)၊ အလူမီနီယမ်အောက်ဆိုဒ် (Al₂O₃) နှင့် ကယ်လ်စီယမ်အောက်ဆိုဒ် (CaO) ကဲ့သို့သော ပရိုမိုတာများပါရှိသည်။ ပရိုမိုတာများသည် ဓာတ်ကူပစ္စည်း၏ လှုပ်ရှားမှုနှင့် တည်ငြိမ်မှုကို မြှင့်တင်ရန် ကူညီပေးသည်။
ဓာတ်ပြုမှုအပူချိန်ကို ယေဘုယျအားဖြင့် လုံလောက်သော ဓာတ်ပြုမှုနှုန်းရှိစေရန် လုံလောက်သော မြင့်မားသောနှုန်းဖြင့် သတ်မှတ်ထားသည်။ သို့သော် အမိုးနီးယားဖွဲ့စည်းမှု ဓာတ်ပြုမှုသည် အပူထုတ်သောကြောင့် အပူချိန်လွန်ကဲခြင်းသည် မျှခြေအထွက်နှုန်းကို လျော့ကျစေသည်။ ထို့ကြောင့် အပူချိန်ကို ကောင်းမွန်သော အထွက်နှုန်းများ ရရှိစေစဉ်တွင် ဓာတ်ပြုမှုကို လျင်မြန်စွာ ဆက်လက်လုပ်ဆောင်နိုင်စေမည့် အလျှော့အတင်းအပိုင်းအခြားအတွင်း သတ်မှတ်ထားသည်။
မော်လီကျူးအဆင့်တွင်၊ ဓာတ်ကူပစ္စည်းများသည် အောက်ပါတို့ဖြင့် အလုပ်လုပ်သည်-
– ဓာတ်ကူပစ္စည်းမျက်နှာပြင်ပေါ်ရှိ N≡N ချည်နှောင်မှုများကို ဖြတ်တောက်ခြင်း (ဤသည်မှာ အခက်ခဲဆုံးအဆင့်ဖြစ်သည်)။
– H₂ ကို စုပ်ယူပြီး H အက်တမ်များအဖြစ် ဖြိုခွဲသည်။
– NH₃ မဖွဲ့စည်းမချင်း N–H ချည်နှောင်မှုများ တဖြည်းဖြည်းဖွဲ့စည်းရန် ကူညီပေးသည်။
– တက်ကြွသောနေရာများကို ပြန်လည်အသုံးပြုနိုင်စေရန်အတွက် ဓာတ်ကူပစ္စည်းမျက်နှာပြင်မှ NH₃ ကို ထုတ်လွှတ်ခြင်း။
၆။ အအေးခံခြင်းနှင့် အငွေ့ပျံခြင်း- အမိုးနီးယားမှ ဓာတ်ငွေ့ကို ခွဲထုတ်ခြင်း
ဓာတ်ပေါင်းဖိုမှ ထွက်ခွာပြီးနောက် ဓာတ်ငွေ့အရောအနှောတွင် NH₃ အပြင် ဓာတ်မတည့်သေးသော N₂ နှင့် H₂ တို့ ပါဝင်သည်။ ထို့နောက် ဤအရောအနှောကို အအေးခံသည်။ အမိုးနီးယားသည် အချို့သောအခြေအနေများတွင် အလွယ်တကူ အရည်ပျော်သွားပြီး အရည်အမိုးနီးယားအဖြစ်သို့ ငွေ့ရည်ဖွဲ့ခြင်းဖြင့် ခွဲထုတ်နိုင်သည်။
ဤငွေ့ရည်ဖွဲ့ခြင်းကို အခြေခံ၍ ခွဲထုတ်ခြင်းသည် အလွန်အသုံးဝင်ပါသည်- အဘယ်ကြောင့်ဆိုသော်
- အဓိကထုတ်ကုန်ကို ထိရောက်စွာ ရယူခြင်း
– တုံ့ပြန်မှုကို ဆက်လက်လုပ်ဆောင်ရန် အားပေးသည် (ထုတ်ကုန်များကို ယူပြီး၊ မျှခြေကို ထုတ်ကုန်များဆီသို့ တွန်းပို့သည်)
၇။ ဓာတ်ငွေ့ပြန်လည်အသုံးပြုခြင်း- အလုံးစုံစွမ်းဆောင်ရည်ကို မြှင့်တင်ပေးသည်
N₂ နှင့် H₂ အားလုံးကို ဓာတ်ပေါင်းဖိုမှတစ်ဆင့် တစ်ကြိမ်တည်းတွင် NH₃ အဖြစ်သို့ ပြောင်းလဲခြင်းမဟုတ်ပါ။ ထို့ကြောင့် ကျန်ရှိနေသောဓာတ်ငွေ့ကို အမိုးနီးယားမှ ခွဲထုတ်ပြီးနောက် ဓာတ်ပေါင်းဖိုထဲသို့ ပြန်လည်အသုံးပြုလေ့ရှိသည်။ ပြန်လည်အသုံးပြုခြင်းက လုပ်ငန်းစဉ်၏ အလုံးစုံပြောင်းလဲမှုနှုန်းကို သိသိသာသာ မြှင့်တင်ပေးပြီး ကုန်ကြမ်းအသုံးပြုမှုကို ပိုမိုထိရောက်စေသည်။
တစ်ချိန်တည်းမှာပင်၊ လေထဲမှ သယ်ဆောင်လာသော အာဂွန်ကဲ့သို့သော အရှိန်အဟုန်များ စုပုံလာခြင်းကို ကာကွယ်ရန်အတွက် ဓာတ်ငွေ့၏ အစိတ်အပိုင်းအနည်းငယ်ကို "သန့်စင်" နိုင်သည်။
လုပ်ငန်းစဉ်၏ရလဒ်များကို လွှမ်းမိုးသောအချက်များ
Haber-Bosch မှာ အမြဲတမ်း ဆွေးနွေးထားတဲ့ အဓိကအချက် သုံးချက်ရှိပါတယ်။
၁။ ဖိအား- ဖိအားမြင့်လေ၊ NH₃ ထုတ်လုပ်ရန် အလားအလာ ပိုများလေဖြစ်သည်။
၂။ အပူချိန်- အပူချိန်နိမ့်ခြင်းသည် ဟန်ချက်ညီမှုကို အထောက်အကူပြုသော်လည်း အပူချိန်မြင့်ခြင်းသည် ဓာတ်ပြုမှုနှုန်းကို မြန်စေသည်။
၃။ ဓာတ်ကူပစ္စည်း- ဟန်ချက်အနေအထားကို မပြောင်းလဲဘဲ ဟန်ချက်ညီမျှမှုရရှိမှုကို အရှိန်မြှင့်ပေးသည်။
စက်မှုလုပ်ငန်းများသည် စီးပွားရေး၊ ဘေးကင်းရေး၊ စွမ်းအင်ထိရောက်မှုနှင့် စက်ပစ္စည်းများ၏ ကြံ့ခိုင်မှုကို ထည့်သွင်းစဉ်းစားသည့် အကောင်းဆုံးလည်ပတ်မှုအခြေအနေများကို ရွေးချယ်ကြသည်။
ခေတ်သစ်သက်ရောက်မှုများနှင့်စိန်ခေါ်မှုများ
Haber-Bosch လုပ်ငန်းစဉ်သည် စိုက်ပျိုးရေးအတွက် အဖိုးမဖြတ်နိုင်လောက်အောင် အရေးပါခဲ့သော်လည်း ပတ်ဝန်းကျင်ဆိုင်ရာ စိန်ခေါ်မှုများကိုလည်း ဖြစ်ပေါ်စေပါသည်။ သဘာဝဓာတ်ငွေ့မှ ဟိုက်ဒရိုဂျင်ထုတ်လုပ်ခြင်းသည် CO₂ ထုတ်လွှတ်မှုကို ဖြစ်ပေါ်စေသည်။ ထို့ကြောင့် ခေတ်သစ်သုတေသနအများစုသည် အောက်ပါတို့ကို ဦးတည်ကြသည်-
– ပြန်လည်ပြည့်ဖြိုးမြဲစွမ်းအင်အခြေခံ ရေလျှပ်စစ်ဓာတ်ခွဲခြင်းမှရရှိသော “အစိမ်းရောင်” ဟိုက်ဒရိုဂျင်
– အမိုးနီးယားစက်ရုံများတွင် ကာဗွန်ဖမ်းယူခြင်းနှင့် သိုလှောင်ခြင်း (CCS)
– ဖိအား သို့မဟုတ် အပူချိန်နိမ့်တွင် ဓာတ်ပြုမှုများ ဖြစ်ပေါ်နိုင်စေရန် ဓာတ်ကူပစ္စည်းအသစ်များ တီထွင်ထုတ်လုပ်ခြင်း
ဤကြိုးပမ်းအားထုတ်မှုများသည် အမိုးနီးယား၏ သိသာထင်ရှားသော အကျိုးကျေးဇူးများ—အထူးသဖြင့် ဓာတ်မြေဩဇာအဖြစ်—ကို ထိန်းသိမ်းရန် ရည်ရွယ်ပြီး ၎င်း၏ ကာဗွန်ခြေရာကို လျှော့ချရန်ဖြစ်သည်။
နိဂုံး
Haber-Bosch လုပ်ငန်းစဉ်သည် လေထုထဲတွင် နိုက်ထရိုဂျင်၏ တည်ငြိမ်မှုကို ကျော်လွှားပြီး အမိုးနီးယားကို အစုလိုက်အပြုံလိုက် ထုတ်လုပ်ရန် ဒီဇိုင်းထုတ်ထားသော စက်မှုလုပ်ငန်းဆိုင်ရာ အဆင့်များစွာ ပါဝင်သည်။ ၎င်းသည် အခြေခံအားဖြင့် N₂ နှင့် H₂ တို့၏ ဓာတ်ကူပစ္စည်းဖြင့် မောင်းနှင်သော ဓာတ်ပြုမှုတစ်ခုဖြစ်ပြီး မြင့်မားသောဖိအား၊ အပူချိန်လျှော့ချခြင်း၊ ဓာတ်ငွေ့သန့်စင်ခြင်းနှင့် ခွဲထုတ်ခြင်းနှင့် ပြန်လည်အသုံးပြုခြင်းစနစ်တို့မှတစ်ဆင့် အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင် ပြုလုပ်ထားသည်။ ရလဒ်အနေဖြင့် ခေတ်မီဓာတ်မြေဩဇာများ၏ အဓိကကျောရိုးနှင့် ကမ္ဘာလုံးဆိုင်ရာ စားနပ်ရိက္ခာဖူလုံရေးအတွက် အရေးကြီးသော အခြေခံအုတ်မြစ်ဖြစ်သည့် အမိုးနီးယားထုတ်လုပ်မှုဖြစ်သည်။ ဤလုပ်ငန်းစဉ်၏ အနာဂတ်အတွက် အဓိကစိန်ခေါ်မှုမှာ ထုတ်လွှတ်မှုနည်းသော ဟိုက်ဒရိုဂျင်ရင်းမြစ်များနှင့် စွမ်းအင်ထိရောက်မှု ပိုမိုကောင်းမွန်လာခြင်းဖြင့် ပိုမိုပတ်ဝန်းကျင်နှင့် သဟဇာတဖြစ်အောင် ပြုလုပ်ရန်ဖြစ်သည်။
