Procesul Haber-Bosch

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Diagrama simplificată a procesului Haber-Bosch.

Procesul Haber-Bosch , cunoscut și ca proces Haber , este o metodă care permite sinteza industrială a amoniacului pe scară largă folosind azot și hidrogen ca reactanți în prezența unui catalizator eterogen pe bază de fier .

Punct de vedere istoric, problema majoră legată de sinteza amoniacului este reprezentat de dificultatea în divizarea triplei legături care deține doi atomi de azot împreună pentru a forma molecula de N2 (bi-azot). Temperaturile ridicate care ar fi necesare pentru realizarea acestui clivaj prin accelerarea cineticii reacției, pe de altă parte, nu favorizează termodinamic reacția de sinteză care devine endoergonică la temperatură ridicată. Descoperirea și îmbunătățirea ulterioară a sistemului catalitic utilizat de Fritz Haber și Carl Bosch a făcut posibilă utilizarea temperaturilor de funcționare semnificativ mai scăzute.

Amoniacul, pe lângă faptul că este o materie primă importantă, are și multe aplicații în sinteza altor produse, principalele fiind acidul azotic și îngrășămintele . Alți compuși importanți obținuți din amoniac sunt, de exemplu, sărurile de amoniu , amine , amide , hidrazine și cianuri .

fundal

Procesul a fost inițial brevetat de Fritz Haber. În 1910, Carl Bosch, care lucra la BASF în acel moment, a comercializat cu succes procesul și a obținut brevete ulterioare. Procesul Haber-Bosch a fost utilizat pentru prima dată la scară industrială în Germania în timpul primului război mondial : germanii importau anterior azotat de sodiu din Chile , dar cererea pentru această sare era necesară pentru a construi muniție de război și incertitudinile legate de sursele de achiziții au sugerat adoptarea acest proces. În acest fel, Germania a reușit să-și asigure muniția necesară pe durata războiului. Amoniacul produs a fost oxidat pentru producerea de acid azotic folosind procesul Ostwald , acidul produs a fost apoi folosit pentru a da naștere diferiților compuși nitro explozivi folosiți în muniție.

Reactivii

Setul de reactanți gazoși, și anume azot și hidrogen în raportul 1: 3, constituie ceea ce este definit ca sinteză pură . La rândul său, sinteza pură se obține din așa-numitul brut de sinteză , un amestec gazos care poate fi obținut din gazificarea cărbunelui sau din hidrocarburi . Prin utilizarea hidrocarburilor ca sursă de sinteză brută, se folosește în general gaz natural care poate fi supus reformării cu abur sau alternativ la un proces autotermic ; aceasta din urmă este o metodă mai ieftină din punct de vedere al ingineriei instalațiilor și implică o oxidare parțială a hidrocarburii (pentru comoditate am putea spune despre metan ) în monoxid de carbon și hidrogen prin utilizarea unei cantități adecvate de aer , într-un cuptor înăbușit 1000 ° C în prezența unui catalizator de nichel susținut de oxid de magneziu .

Sinteza brută, care conține, de asemenea, cantități de CO 2 și CO capabile să interfereze cu sinteza amoniacului, nu poate fi utilizată așa cum este, ci trebuie transformată în sinteză pură. Aceste procese de conversie exploatează în mod obișnuit transformarea CO în CO 2 , absorbția CO 2 și transformarea celor două gaze și a oricărui oxigen prezent prin hidrogenare catalitică ( metanare , deoarece oxizii de carbon produc metan care poate fi reciclat).

Reactia

Azotul și hidrogenul reacționează într-un raport 1: 3 la temperatura optimă între 350-550 ° C și presiunea optimă de 140-320 atm folosind magnetitul ca promotor de cataliză . Reacția constă într-un echilibru chimic în faza gazoasă descrisă de ecuația stoichiometrică

Reacția este exergonică la temperatura camerei și exotermă , dezvoltă 92,4 kJ / mol . Presiunile ridicate utilizate și îndepărtarea amoniacului produs din reactor deplasează echilibrul spre dreapta.

Cataliză

Inițial procesul Haber-Bosch folosea osmiu și uraniu ca catalizatori. În prezent, catalizatorul utilizat este fierul, care este mai puțin costisitor și mai ușor de găsit. Întregul sistem catalitic constă dintr-un amestec de magnetit, protecții și activatori. De îndată ce magnetitul este introdus în reactorul de sinteză, acesta suferă următoarea reducere:

ceea ce duce la producerea cristalitelor de fier α care, în urma scăderii minime a volumului și a îndepărtării oxigenului, își asumă o structură foarte poroasă. Odată cu uzura și acțiunea temperaturilor ridicate, cristalitele tind să se transforme în cristale de fier α, cu pierderea consecventă a activității catalitice. Pentru a evita acest fenomen, se adaugă promotori structurali , cum ar fi oxidul de aluminiu .

Mecanismul de reacție implicat în procesul de cataliză, bazat pe adsorbția de suprafață, poate fi rezumat după cum urmează: [1]

  • N 2 (g) 2 N reclame
  • H 2 (g) 2 H reclame
  • N reclame + H reclame Reclame NH
  • Reclame NH + Reclame H 2ads NH
  • 2ads NH + H anunțuri 3ads NH
  • NH 3ads NH 3 (g)

Prima etapă, adsorbția disociativă a azotului, este etapa lentă a sintezei de amoniac: adăugarea promotorilor electronici, de obicei oxid de potasiu , are sarcina de a promova această adsorbție.

Notă

  1. ^ Stocchi , p.266

Bibliografie

  • Eugenio Stocchi, Chimie industrială anorganică , Torino, Edisco Editrice, 1993, ISBN 88-441-2022-4 .
  • Buchner, Schliebs, Winter, Buchel, Chimie anorganică industrială , Piccin-Nuova Libraria, 1996, ISBN 978-88-299-1164-6 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității GND ( DE ) 4816458-6