Haber-prosessi, joka tunnetaan myös paikoin Haber-Borsch-prosessina, on tieteellinen menetelmä, jonka avulla ammoniakkia syntyy typestä ja vedystä. Rauta toimii katalyyttinä, ja prosessin onnistuminen riippuu suurelta osin ihanteellisesta lämpötilasta ja paineesta; Suurimman osan ajasta se suoritetaan suljetussa kammiossa, jossa olosuhteita voidaan valvoa tarkasti. Prosessi on erittäin tärkeä useille eri toimialoille, ja se on säästänyt lukemattomia tunteja valmistajille, jotka muuten olisivat joutuneet luomaan ammoniakkia muilla, yleensä paljon työlämmillä keinoilla. Se on hieman monimutkainen toteuttaa, mutta kun se tehdään oikein, se saa yleensä erittäin luotettavia tuloksia.
Miten prosessi kehitettiin
Tämän prosessin kehitti saksalainen kemisti Fritz Haber vuonna 1909, ja myöhemmin toinen saksalainen Carl Bosch laajensi sitä teolliseen mittakaavaan. Molemmat miehet saivat Nobelin palkinnon vuonna 1918 korkean paineen tekniikan teollisen käytön teknisten esteiden voittamisesta. Ennen menetelmän kehittämistä ammoniakkia oli suhteellisen vaikea erottaa ja sen seurauksena se oli melko kallista. Kun keksittiin tapa syntetisoida se nopeammin, se teki siitä helpommin saatavilla ja halvemman. Prosessi avasi myös tien kontrolloidumman ympäristön kokeille ja kemiallisille vähentämisille.
Miten se toimii
Useimmissa tapauksissa ammoniakin luomiseen tarvitaan kolme olennaista elementtiä: vety, typpi ja jonkinlainen katalyytti. Vaikka alun perin katalyytteinä käytettiin osmiumia ja uraania, ne korvattiin myöhemmin raudalla, koska se on paljon halvempi vaihtoehto ja pyrkii toimimaan yhtä hyvin. Hallittu ympäristö on myös todella tärkeä. Yleensä ammoniakki syntetisoidaan yhdistämällä yksi tilavuus typpeä kolmeen tilavuuteen vetyä huokoisen raudan läsnä ollessa katalyyttinä. Haber -prosessi suorittaa tämän reaktion optimaalisessa lämpötilassa 1022 ° C (550 ° F) ja paineessa 2175-3626 psi (15-25 MPa).
Vety reaktiota varten saadaan yleensä saattamalla metaani tai maakaasu reagoimaan höyryn kanssa nikkelioksidin läsnä ollessa katalyyttinä. Elementti saatetaan sitten kulkemaan rautaoksidikerroksien ja ilmakehästä peräisin olevan typpikaasun yli. Koska reaktio on hyvin hidas huoneenlämpötilassa, lämpötilaa nostetaan prosessin nopeuttamiseksi. Tämä reaktio on eksoterminen, mikä tarkoittaa, että se vapauttaa lämpöä, joten lämpötilan nousu suosii vain käänteistä reaktiota ja pyrkii edelleen vähentämään tuotetta.
Tämä on Le Chatlierin periaatteen mukaista, jonka mukaan kaikki pitoisuuden, lämpötilan, tilavuuden tai osapaineen muutokset tasapainossa olevaan järjestelmään aiheuttavat tasapainon muutoksen vastustaakseen asetettua muutosta. Yksinkertaisemmin sanottuna, jos reaktion lämpötilaa nostetaan ammoniakin tuotannon nopeuttamiseksi, se johtaa tuotetun ammoniakin hajoamiseen edelleen typpeksi ja vetyksi. Koska katalyytti voi toimia tehokkaasti vain noin 752 ° C: n (400 ° F) lämpötilassa, lämpötila on pidettävä välillä 752 ° 1022 ° C (300 ° C – 550 ° F).
Paineen merkitys
Haber -prosessi pyrkii toimimaan tehokkaimmin erittäin korkeassa paineessa. Tämä lisää ammoniakin muodostumista ja parantaa lopputuotteen retentiota. Ihanteellisissa olosuhteissa kuitenkin vain noin 15% ammoniakkia saadaan kullakin kerralla. Reagoimattoman kaasun toistuvalla kierrätyksellä voidaan saavuttaa lähes 98%: n talteenotto. Reagoimattoman tuotteen pitäminen kierrätettäväksi on kuitenkin paikka, jossa asiat voivat muuttua hankalaksi. Erittäin paineistetun ympäristön ulkopuolella se on lähes mahdotonta.
Miksi se koskee
Tämän prosessin tehokkuus ja vaikuttavuus ovat hyötyneet suuresti monista teollisuudenaloista ja valmistusprojekteista. Ammoniakki on erittäin tärkeä monille eri asioille-se on yleistä kodin puhdistusaineena, mutta se on myös välttämätöntä typpeä sisältävien lannoitteiden ja useimpien ampumatarvikkeiden valmistuksessa. Prosessia käytetään lähes 100 miljoonan tonnin lannoitteen valmistukseen vuosittain, ja se on myös elintärkeä useimmille armeijoille ja puolustusurakoitsijoille ympäri maailmaa.