Der Prozess von Haber, auch genannt den Prozess von Haber-Bosch, ist die Stickstoff-Fixieren-Reaktion von Stickstoff-Benzin und Wasserstoffbenzin, über ein bereichertes Eisen oder Ruthenium-Katalysator, der verwendet wird, um Ammoniak industriell zu erzeugen.

Ungeachtet der Tatsache dass 78.1 % der Luft, die wir atmen, Stickstoff sind, ist das Benzin relativ nicht verfügbar, weil es so unreaktiv ist: Stickstoff-Moleküle werden durch starke dreifache Obligationen zusammengehalten. Erst als der Anfang des 20. Jahrhunderts, dass der Prozess von Haber entwickelt wurde, um den atmosphärischen Überfluss am Stickstoff anzuspannen, um Ammoniak zu schaffen, das dann oxidiert werden kann, um die Nitrate und nitrites Hauptsache für die Produktion von Nitrat-Dünger und Explosivstoffen zu machen. Vor der Entdeckung des Prozesses von Haber war Ammoniak schwierig gewesen, auf einer Industrieskala zu erzeugen.

Der Prozess von Haber ist heute wichtig, weil der von Ammoniak erzeugte Dünger dafür verantwortlich ist, ein Drittel der Bevölkerung der Erde zu stützen. Es wird geschätzt, dass die Hälfte des Proteins innerhalb von Menschen aus dem Stickstoff gemacht wird, der durch diesen Prozess ursprünglich befestigt wurde, wurde der Rest von Stickstoff-Befestigen-Bakterien und archaea erzeugt.

Geschichte

Am Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts haben mehrere Chemiker versucht, Ammoniak vom atmosphärischen Stickstoff zu machen. Deutscher Chemiker Fritz Haber hat einen Prozess entdeckt, der noch heute verwendet wird. Robert Le Rossignol war in der Entwicklung der im Prozess von Haber verwendeten Hochdruckgeräte instrumental. Sie haben ihren Prozess im Sommer 1909 demonstriert, indem sie Ammoniak von Luftfall durch Fall, im Verhältnis von ungefähr pro Stunde erzeugt haben. Der Prozess wurde von der deutschen chemischen Gesellschaft BASF gekauft, der Carl Bosch die Aufgabe zugeteilt hat, die Tischplatte-Maschine von Haber zur Industrieniveau-Produktion hoch zu schrauben. Haber und Bosch wurden später Nobelpreisen, 1918 und 1931 beziehungsweise, für ihre Arbeit in der Überwindung der chemischen und Technikprobleme zuerkannt, die durch den Gebrauch von groß angelegten, dauerndem Fluss, Hochdrucktechnologie aufgeworfen sind.

Ammoniak wurde zuerst mit dem Prozess von Haber auf einer Industrieskala 1913 im Oppau Werk von BASF in Deutschland verfertigt. Während des Ersten Weltkriegs wurde Produktion von Dünger bis Explosivstoffe besonders durch die Konvertierung von Ammoniak in eine synthetische Form des Salpeters von Chile ausgewechselt, der dann in andere Substanzen für die Produktion von Schießpulver und hochexplosiven Sprengstoffen geändert werden konnte. Die Verbündeten hatten Zugang zu großen Beträgen des Salpeters von natürlichen Nitrat-Ablagerungen in Chile, das fast völlig britischen Industrien gehört hat; Deutschland musste sein eigenes erzeugen. Es ist darauf hingewiesen worden, dass ohne diesen Prozess Deutschland mit dem Krieg nicht gekämpft hätte, oder sich einige Jahre früher hätte ergeben müssen.

Der Prozess

Bei weitem ist die Hauptquelle des für den Prozess von Haber-Bosch erforderlichen Wasserstoffs Methan von Erdgas, das durch einen heterogenen katalytischen Prozess erhalten ist, der viel weniger Außenenergie verlangt als der Prozess verwendet am Anfang von Bosch an BASF: die Elektrolyse von Wasser. Viel weniger allgemein, in einigen Ländern, wird Kohle als die Quelle von Wasserstoff durch einen Prozess genannt Kohlenvergasung verwendet. Die Quelle des Wasserstoffs ist von keiner Bedeutung im Prozess von Haber-Bosch.

Synthese-Gasvorbereitung

Das Methan wird zuerst gereinigt, um hauptsächlich Schwefel-Oxyd und Wasserstoffsulfid-Unreinheiten zu entfernen, die die Katalysatoren vergiften würden.

Das saubere Methan wird dann damit reagiert beschlagen sich ein Katalysator von Nickel-Oxyd. Das wird das Dampfverbessern genannt:

:CH + HO  CO + 3 H

Das sekundäre Verbessern findet dann mit der Hinzufügung von Luft statt, um das Methan umzuwandeln, das während des Dampfverbesserns nicht reagiert hat:

:2 CH + O  2 CO + 4 H

:CH + 2 O  CO + 2 HO

Dann gibt die Wassergasverschiebungsreaktion mehr Wasserstoff von CO und Dampf nach:

:CO + HO  CO + H

Die Gasmischung wird jetzt in einen methanator passiert, der die meisten restlichen CO ins Methan für die Wiederverwertung umwandelt:

:CO + 3 H  CH + HO

Dieser letzte Schritt ist notwendig, weil Kohlenmonoxid den Katalysator vergiftet. (Bemerken Sie, diese Reaktion ist die Rückseite des Dampfverbesserns). Die gesamte Reaktion verwandelt so weit Methan und Dampf ins Kohlendioxyd, Dampf und Wasserstoff.

Ammoniak-Synthese - Prozess von Haber

Die Endbühne, die der wirkliche Prozess von Haber ist, ist die Synthese von Ammoniak mit einem Eisenkatalysator, der mit KO, CaO und AlO gefördert ist:

:N (g) + 3 H (g)  2 NH (g) (ΔH = 92.22 kJ · mol)

Das wird an 15-25 MPa (150-250 Bar) und zwischen 300 und 550 °C getan, weil das Benzin mehr als vier Betten von Katalysator mit dem Abkühlen zwischen jedem Pass passiert wird, um ein angemessenes unveränderliches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Auf jedem Pass kommt nur ungefähr 15 % Konvertierung vor, aber jedes unreagierte Benzin wird wiederverwandt, und schließlich wird eine gesamte Konvertierung von 97 % erreicht.

Das Dampfverbessern, wechseln Sie Konvertierung, Kohlendioxyd-Eliminierung und Methanation-Schritte aus, die jeder am absoluten Druck von ungefähr 2.5-3.5 MPa (25-35 Bar) operiert, und die Ammoniak-Synthese-Schleife funktioniert am absoluten Druck im Intervall von 6-18 MPa (59-178 atm), abhängig von dem Eigentumsdesign verwendet wird.

Reaktionsrate und Gleichgewicht

Es gibt zwei gegenüberliegende Rücksichten in dieser Synthese: die Position des Gleichgewichts und die Rate der Reaktion. Bei der Raumtemperatur ist die Reaktion langsam, und die offensichtliche Lösung ist, die Temperatur zu erheben. Das kann die Rate der Reaktion vergrößern, aber da die Reaktion exothermic ist, hat es auch die Wirkung gemäß dem Grundsatz von Le Chatelier, die Rückreaktion zu bevorzugen und so den Betrag des Produktes zu reduzieren, das gegeben ist durch:

:

Als die Temperatur zunimmt, wird das Gleichgewicht ausgewechselt, und folglich der Betrag des Produktes fällt drastisch gemäß der Gleichung von Van't Hoff. So könnte man annehmen, dass eine niedrige Temperatur verwendet werden soll und einige andere Mittel, Rate zu vergrößern. Jedoch verlangt der Katalysator selbst, dass eine Temperatur von mindestens 400 °C effizient ist.

Druck ist die offensichtliche Wahl, die Vorwärtsreaktion zu bevorzugen, weil es 4 Maulwürfe des Reaktionspartners für alle 2 Maulwürfe des Produktes gibt (sieh Wärmegewicht), und der Druck verwendet (ungefähr 200 atm) verändert die Gleichgewicht-Konzentrationen, um einen gewinnbringenden Ertrag zu geben.

Wirtschaftlich aber ist Druck eine teure Ware. Pfeifen und Reaktionsbehälter, müssen Klappen strenger gestärkt werden, und es gibt Sicherheitsrücksichten des Arbeitens an 200 atm. Außerdem nimmt das Laufen von Pumpen und Kompressoren beträchtliche Energie. So gibt der verwendete Kompromiss einen einzelnen Pass-Ertrag von ungefähr 15 %.

Eine andere Weise, den Ertrag der Reaktion zu vergrößern, würde das Produkt (d. h. Ammoniak-Benzin) vom System entfernen sollen. In der Praxis wird gasartiges Ammoniak vom Reaktor selbst nicht entfernt, da die Temperatur zu hoch ist; aber es wird von der Gleichgewicht-Mischung von Benzin entfernt, den Reaktionsbehälter verlassend. Das heiße Benzin wird genug abgekühlt, während man einen Hochdruck für das Ammoniak aufrechterhält, um sich zu verdichten und als Flüssigkeit entfernt zu werden. Unreagierter Wasserstoff und Stickstoff-Benzin werden dann in den Reaktionsbehälter zurückgegeben, um weitere Reaktion zu erleben.

Katalysatoren

Der Katalysator hat keine Wirkung auf die Position des chemischen Gleichgewichts; eher versorgt es einen alternativen Pfad mit der niedrigeren Aktivierungsenergie und vergrößert folglich die Reaktionsrate, während es chemisch unverändert am Ende der Reaktion bleibt. Die ersten Reaktionsräume von Haber-Bosch haben Osmium und Ruthenium als Katalysatoren verwendet. Jedoch, unter der Richtung von Bosch 1909, hat der BASF Forscher Alwin Mittasch einen viel weniger teuren eisenbasierten Katalysator entdeckt, der noch heute verwendet wird. Ein Teil der Industrieproduktion findet jetzt mit einem Ruthenium aber nicht einem Eisenkatalysator statt (der KAAP-Prozess), weil dieser aktivere Katalysator reduzierten Betriebsdruck erlaubt.

In der Industriepraxis ist der Eisenkatalysator durch das Herausstellen einer Masse des Magneteisensteins, eines Eisenoxids, zum heißen Wasserstoff feedstock bereit. Das reduziert etwas vom Magneteisenstein zu metallischem Eisen, Sauerstoff im Prozess entfernend. Jedoch erhält der Katalysator den grössten Teil seines Hauptteil-Volumens während der Verminderung aufrecht, und so ist das Ergebnis ein hoch poröses Material, dessen große Fläche seiner Wirksamkeit als ein Katalysator hilft. Andere geringe Bestandteile des Katalysators schließen Kalzium und Aluminiumoxyde ein, die den porösen Eisenkatalysator unterstützen und ihm helfen, seine Fläche mit der Zeit und Kalium aufrechtzuerhalten, das die Elektrondichte des Katalysators vergrößert und so seine Tätigkeit verbessert.

glaubt, ist der Reaktionsmechanismus, den heterogenen Katalysator einschließend, wie folgt:

1. N (g)  hat N (adsorbiert)
2. N hat  (adsorbiert) 2 N haben (adsorbiert)
3. H (g)  hat H (adsorbiert)
4. H hat  (adsorbiert) 2 H haben (adsorbiert)
5. N (adsorbiert) + haben 3 H  NH (adsorbiert) hat (adsorbiert)
6. NH hat  NH (g) (adsorbiert)

Reaktion 5 kommt in drei Schritten vor, NH, NH, und dann NH bildend. Experimentelle Beweise weisen zur Reaktion 2 als seiend der langsame, Rate bestimmende Schritt hin.

Ein Hauptmitwirkender zur Erläuterung dieses Mechanismus ist Gerhard Ertl.

Wirtschafts- und Umweltaspekte

Der Prozess von Haber erzeugt jetzt 500 Millionen Tonnen (453 Milliarden Kilogramme) Stickstoff-Dünger pro Jahr, größtenteils in der Form von wasserfreiem Ammoniak, Ammonium-Nitrat und Harnstoff. 3-5 % der Welterdgas-Produktion werden im Prozess von Haber (~1-2 % der jährlichen Energieversorgung in der Welt) verbraucht. Dieser Dünger ist dafür verantwortlich, ein Drittel der Bevölkerung der Erde zu stützen, aber läuft auf verschiedene schädliche Umweltfolgen hinaus. Die Wasserstoffproduktion mit der Elektrolyse von durch die erneuerbare Energie angetriebenem Wasser ist mit Wasserstoff von fossilen Brennstoffen wie Erdgas noch nicht konkurrenzfähig. Bezüglich 2007 werden nur 5 % Wasserstoff durch die Elektrolyse erzeugt. Namentlich, der Anstieg des Habers Industrieprozess hat zur "Nitrat-Krise" in Chile geführt, als die natürlichen Nitrat-Gruben nicht mehr gewinnbringend waren und geschlossen wurden, eine große arbeitslose chilenische Bevölkerung zurücklassend.

Links

• Prozess von Haber-Bosch, wichtigste Erfindung des 20. Jahrhunderts, gemäß V. Smil, Natur, am 29. Juli 1999, p 415 (durch Jürgen Schmidhuber)
• Britannica führen zu Nobelpreisen: Fritz Haber
• E-Museum von Nobel - Lebensbeschreibung von Fritz Haber
• Gebrauch und Produktion von Ammoniak
• Prozess von Haber für die Ammoniak-Synthese