Báwo ni Ìlànà Ìdáhùn Haber Bosch Ṣe Ń Ṣiṣẹ́
Ilana Haber-Bosch jẹ ọkan ninu awọn awari pataki julọ ninu itan kemistri ile-iṣẹ nitori pe o gba eniyan laaye lati ṣe ammonia (NH₃) ni iwọn nla lati inu awọn gaasi ti o pọ si ni adayeba meji: nitrogen (N₂) lati afẹfẹ ati hydrogen (H₂), eyiti a maa n gba lati inu gaasi adayeba tabi awọn orisun miiran. Amonia lẹhinna di ohun elo aise akọkọ fun awọn ajile nitrogen gẹgẹbi urea ati ammonium nitrate, eyiti o ṣe ipa pataki ninu jijẹ iṣelọpọ ogbin agbaye. Laisi ilana yii, wiwa ounjẹ agbaye yoo ṣeeṣe ki o ni opin pupọ diẹ sii.
Àkọlé: kí ló dé tí ó fi ṣòro láti “mú” nitrogen?
Bó tilẹ̀ jẹ́ pé afẹ́fẹ́ ní nǹkan bí 78% nitrogen, gáàsì N₂ dúró ṣinṣin gan-an nítorí pé àwọn átọ̀mù nitrogen méjì rẹ̀ ni a so mọ́ ara wọn pẹ̀lú ìdè mẹ́ta tó lágbára (N≡N). Ìdè yìí ló mú kí nitrogen “kọ̀ láti ṣe nǹkan kan.” Àwọn ewéko nílò nitrogen láti ṣe àwọn protein àti nucleic acids, ṣùgbọ́n wọn kò lè lo N₂ láti inú afẹ́fẹ́ ní tààràtà. Dájúdájú, àwọn bakitéríà kan tàbí nípasẹ̀ mànàmáná ni a fi ń yan nitrogen, ṣùgbọ́n ìwọ̀n àwọn ìlànà àdánidá wọ̀nyí kò tó láti bá àìní iṣẹ́ àgbẹ̀ òde òní mu. Ibí ni Haber-Bosch ti wọlé: ó ń pèsè ọ̀nà láti “fipá mú” nitrogen láti ṣe nǹkan nípasẹ̀ àwọn ipò àti àwọn ohun tí ń mú kí nǹkan ṣiṣẹ́.
Iṣe pataki: lati nitrogen ati hydrogen si amonia
Idogba iṣe pataki ti ilana Haber-Bosch ni:
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) + ooru
Ìhùwàpadà yìí ṣeé yípadà (ó lè tẹ̀síwájú ní ìhà méjèèjì) àti exothermic (ó ń mú ooru jáde). Èyí túmọ̀ sí wípé ìṣẹ̀dá ammonia ni a fẹ́ràn ní ìwọ̀n otútù tó kéré gẹ́gẹ́ bí ìlànà ìwọ̀n, ṣùgbọ́n ní ìwọ̀n otútù tó kéré jù, ìhùwàpadà náà ń lọ lọ́ra gan-an. Nítorí náà, àwọn iṣẹ́ ilé-iṣẹ́ gbọ́dọ̀ rí ìforígbárí láàárín ìwọ̀n ìṣe àti ìwúwo ìwọ̀n.
Awọn ipele akọkọ ninu ilana Haber-Bosch
Ni gbogbogbo, ilana ile-iṣẹ Haber-Bosch ni awọn ipele pupọ: ipese awọn ohun elo aise (H₂ ati N₂), mimọ, funmorawon, iṣedapọ iṣelọpọ pẹlu catalyst kan, pipin ammonia, ati atunlo gaasi ti ko ni idahun.
1. Àwọn orísun àti ìṣẹ̀dá hydrogen (H₂)
Hídrójìn fún ìlànà Haber-Bosch sábà máa ń wá láti inú àtúnṣe gáàsì àdánidá (methane, CH₄). Àwọn ìgbésẹ̀ wọ̀nyí ni:
– Àtúnṣe methane steam (SMR): A máa ń ṣe àtúnṣe methane pẹ̀lú omi ní ìwọ̀n otútù gíga láti mú àdàpọ̀ gáàsì (syngas) tí ó ní H₂, CO, àti CO₂ jáde.
– Ìyípadà omi-gaasi: Lẹ́yìn náà, a tún máa ń ṣe àtúnṣe sí CO pẹ̀lú omi ìgbẹ́ láti mú CO₂ jáde kí a sì fi H₂ kún un.
Níkẹyìn, a ya CO₂ sọ́tọ̀, a sì sọ hydrogen di mímọ́. Nínú àwọn ohun ọ̀gbìn kan, a tún lè rí hydrogen láti inú electrolysis omi, pàápàá jùlọ níbi tí iná mànàmáná tí a lè yípadà bá wà, bó tilẹ̀ jẹ́ pé èyí sábà máa ń wọ́n ju gáàsì àdánidá lọ.
2. Gbígba nitrogen (N₂) láti afẹ́fẹ́
A sábà máa ń fa nitrogen jáde nípasẹ̀ ìyàsọ́tọ̀ afẹ́fẹ́ nípa lílo àwọn ẹ̀rọ cryogenic (ìtutù sí iwọ̀n otútù tó kéré gan-an) tàbí àwọn ìmọ̀ ẹ̀rọ míràn bíi pressure swing adsorption (PSA). Ète rẹ̀ ni láti gba nitrogen tó mọ́ tónítóní, nítorí pé àwọn ohun ìbàjẹ́ kan lè pa catalyst náà lára, kí wọ́n sì dí ìṣe náà lọ́wọ́.
3. Ìwẹ̀nùmọ́ gáàsì: yíyọ àwọn “èèwọ̀” tí ó ń mú kí afẹ́fẹ́ má ṣe ṣiṣẹ́
Àwọn ohun tí ó ń mú kí àwọn èròjà ìfàmọ́ra tí a lò nínú Haber-Bosch (tí ó sábà máa ń jẹ́ ti irin) máa ń ní ìmọ̀lára púpọ̀ sí àwọn èròjà bíi sulfur (S), carbon monoxide (CO), àti ọ̀pọ̀lọpọ̀ àwọn ohun àìmọ́ mìíràn. Nítorí náà, a gbọ́dọ̀ sọ gaasi oúnjẹ di mímọ́:
– A máa ń yọ àwọn èròjà eérú kúrò nípa lílo àwọn ohun èlò ìfàmọ́ra pàtàkì.
– A ń ṣe àkóso CO àti CO₂ nípasẹ̀ àwọn ìṣesí kẹ́míkà (iyípadà, methanation) tàbí ìpínyà ti ara/kẹ́míkà.
– Ọrinrin (H₂O) tun dinku ki o má ba da ilana naa duro.
Ìwẹ̀nùmọ́ yìí ṣe pàtàkì gan-an nítorí pé iṣẹ́ àṣekára ohun ọ̀gbìn àti ìgbésí ayé ayáradára sinmi lórí ìmọ́tótó gaasi.
4. Ìfúnpọ̀: fífún titẹ pọ̀ sí i láti yí ìwọ́ntúnwọ̀nsí padà
Ìhùwàpadà náà máa ń mú kí àwọn móles ti gáàsì dínkù (láti móles ti gáàsì 4 sí móles 2 ti gáàsì). Gẹ́gẹ́ bí ìlànà Le Chatelier, ìfúnpá gíga yóò yí ìwọ́ntúnwọ̀nsí padà sí ọjà náà (NH₃). Nítorí náà, àdàpọ̀ N₂ àti H₂ ni a máa ń fún pọ̀ sí àwọn móles gíga, nígbà míìrán ní ọgọ́rọ̀ọ̀rún ojú ọjọ́ ní iṣẹ́ ilé-iṣẹ́ òde òní (iye pàtó lè yàtọ̀ síra ní ìbámu pẹ̀lú àpẹẹrẹ ohun ọ̀gbìn náà).
Sibẹsibẹ, titẹ giga tumọ si awọn iwulo agbara nla fun compressor, nitorinaa ọgbin naa gbọdọ ṣe iṣapeye laarin ikore ammonia ati awọn idiyele agbara.
5. Agbára ìṣiṣẹ́: ipa ti ayase àti iwọ̀n otutu iṣiṣẹ́
Nínú reactor, àdàpọ̀ N₂ àti H₂ ni a máa ń kọjá lórí catalyst kan. Ohun tí ó jẹ́ catalyst àgbáyé fún ìlànà Haber-Bosch ni iron (Fe) pẹ̀lú àwọn promoters bíi potassium oxide (K₂O), aluminum oxide (Al₂O₃), àti calcium oxide (CaO). Àwọn promoters ń ran lọ́wọ́ láti mú kí catalyst náà ṣiṣẹ́ dáadáa àti dúró ṣinṣin.
A sábà máa ń ṣètò iwọn otutu ìhùwàpadà náà ga tó láti rí i dájú pé ìwọ̀n ìhùwàpadà náà tó. Síbẹ̀síbẹ̀, nítorí pé ìhùwàpadà ammonia jẹ́ exothermic, iwọn otutu tó ga jù yóò dín ìhùwàpadà ìwọ́ntúnwọ̀nsì kù. Nítorí náà, a ṣètò iwọn otutu náà láàrín ìwọ̀n ìṣọ̀kan tí yóò jẹ́ kí ìhùwàpadà náà tẹ̀síwájú kíákíá nígbà tí ó sì ń mú èso rere jáde.
Ni ipele molikula, awọn catalysts n ṣiṣẹ nipasẹ:
– Fífọ́ àwọn ìdè N≡N lórí ojú àgbékalẹ̀ (èyí ni ìgbésẹ̀ tó ṣòro jùlọ).
– Ó fa H₂ mọ́ra, ó sì pín in sí àwọn átọ̀mù H.
– Ó ń ran ìṣẹ̀dá díẹ̀díẹ̀ ti àwọn ìsopọ̀ N–H títí tí a ó fi ṣẹ̀dá NH₃.
– Títú NH₃ sílẹ̀ láti ojú àgbékalẹ̀ catalyst kí a lè tún lo àwọn ibi tí ó ń ṣiṣẹ́.
6. Itutu ati isunmi: yiya amonia kuro ninu gaasi
Lẹ́yìn tí ó bá ti fi ohun èlò ìṣiṣẹ́ náà sílẹ̀, àdàpọ̀ gáàsì náà ní NH₃ àti N₂ àti H₂ tí kò ní ìhùwàsí. Lẹ́yìn náà, a máa tu àdàpọ̀ yìí. A máa ń fi omi tútù sínú Ammonia lábẹ́ àwọn ipò kan, èyí tí yóò jẹ́ kí ó pín sí méjì nípasẹ̀ ìtújáde sí Ammonia olómi.
Ìyàsọ́tọ̀ tí ó dá lórí ìfàmọ́ra yìí wúlò gan-an nítorí pé:
– Ṣe orisun ọja akọkọ daradara
– Ó ń fún ìṣesí níṣìírí láti tẹ̀síwájú (a mú àwọn ọjà, a sì ti ìwọ́ntúnwọ̀nsí sí àwọn ọjà náà)
7. Atunlo gaasi: mu ki iṣẹ ṣiṣe gbogbogbo pọ si
Kìí ṣe gbogbo N₂ àti H₂ ni a ń yípadà sí NH₃ ní ìgbà kan ṣoṣo tí ó kọjá inú reactor náà. Nítorí náà, a sábà máa ń tún gaasi tí ó kù ṣe padà sínú reactor lẹ́yìn tí a bá yà wọ́n kúrò nínú ammonia. Àtúnlò atúnlò mú kí ìwọ̀n ìyípadà gbogbogbòò ti iṣẹ́ náà pọ̀ sí i, ó sì mú kí lílo àwọn ohun èlò aise túbọ̀ ṣiṣẹ́ dáadáa.
Ní àkókò kan náà, a lè “mú” apá kékeré kan nínú gáàsì náà láti dènà kíkó àwọn ohun tí kò lágbára bíi argon tí a gbé jáde láti afẹ́fẹ́.
Àwọn ohun tó ní ipa lórí àbájáde ilana náà
Àwọn kókó pàtàkì mẹ́ta ló wà tí wọ́n máa ń sọ̀rọ̀ nípa wọn nínú Haber-Bosch nígbà gbogbo:
1. Ìfúnpá: bí ìfúnpá náà bá ṣe pọ̀ tó, bẹ́ẹ̀ náà ni ìtẹ̀sí láti mú NH₃ jáde ṣe pọ̀ sí i.
2. Iwọn otutu: iwọn otutu kekere ṣe iranlọwọ fun iwọntunwọnsi, ṣugbọn iwọn otutu giga mu iyara iṣeṣe yara.
3. Olùṣe àgbékalẹ̀: ó ń mú kí àṣeyọrí ìwọ́ntúnwọ̀nsì yára síi láìyí ipò ìwọ́ntúnwọ̀nsì padà fúnrarẹ̀.
Àwọn ilé iṣẹ́ yan àwọn ipò ìṣiṣẹ́ tó dára jùlọ tí ó gba ìṣúná owó, ààbò, agbára ṣíṣe, àti agbára ẹ̀rọ rò.
Awọn ipa ati awọn italaya igbalode
Ilana Haber-Bosch ti ṣe pataki fun iṣẹ-ogbin, ṣugbọn o tun n fa awọn ipenija ayika. Ṣiṣẹda hydrogen lati inu gaasi adayeba n mu awọn itujade CO₂ jade. Nitorinaa, ọpọlọpọ awọn iwadii ode oni ni a da lori:
– Hídrójìn “Aláwọ̀ Ewé” láti inú electrolysis omi tí ó ní agbára ìtúnṣe
– Gbigba erogba ati ibi ipamọ (CCS) ninu awọn ile-iṣẹ ammonia
– Ìdàgbàsókè àwọn ohun èlò tuntun kí àwọn ìṣesí lè wáyé ní àwọn ìfúnpá tàbí àwọn iwọn otutu tí ó lọ sílẹ̀
Àwọn ìsapá wọ̀nyí ni láti mú kí àwọn àǹfààní pàtàkì tí amóníà ní—ní pàtàkì gẹ́gẹ́ bí ajílẹ̀—nígbà tí wọ́n bá ń dín ìwọ̀n afẹ́fẹ́ carbon rẹ̀ kù.
Ipari
Ilana Haber-Bosch jẹ́ àwọn ìgbésẹ̀ ilé-iṣẹ́ tí a ṣe láti borí ìdúróṣinṣin nitrogen nínú afẹ́fẹ́ àti ammonia tí ó ń mú jáde ní ibi púpọ̀. Ó jẹ́ ìṣesí tí ó ń darí àfikún ti N₂ àti H₂, tí a ṣe àtúnṣe nípasẹ̀ ìfúnpá gíga, ìwọ̀n otútù tí ó bàjẹ́, ìwẹ̀nùmọ́ gaasi, àti ètò ìyàsọ́tọ̀ àti àtúnlò. Àbájáde rẹ̀ ni ìṣelọ́pọ́ ammonia, ẹ̀yìn àwọn ajile òde òní àti ìpìlẹ̀ pàtàkì fún ààbò oúnjẹ àgbáyé. Ìpèníjà pàtàkì fún ọjọ́ iwájú ilana yìí ni láti jẹ́ kí ó jẹ́ èyí tí ó dára sí àyíká nípasẹ̀ àwọn orísun hydrogen tí ó ní ìtújáde díẹ̀ àti ìmúṣẹ agbára tí ó dára síi.
