תהליך Haber הוא אחד התגובות הכימיות ה ⁇ ביותר אי פעם מתועשת, ישירות תחת בסיס הייצור הגלובלי של אמוניה עבור דשנים סינתטיים, חומרי נפץ וכימיקלים מיוחדים.הבנת כיצד התנאים משנים את שיווי המשקל של תגובה אקסותרמית, ניתוק תגובה קריטית למקסימום את התשואות, צמצום צריכת האנרגיה, ולהבטיח את יכולת הנימוק הכלכלי.

המונחים: Haber Process

(הופנה מהדף פריץ האגבר בתחילת המאה ה-20, ולאחר מכן בקנה מידה על ידי קרל בוש, תהליך Haber משלב חנקן אטמוספירי (NFLT:02IRFLT:1) עם מימן (HoriFLT:20303FLT 3:203FLT 3:203) נגזר גז טבעי או דלקים מאובן אחרים לייצר אמוניה (NHFLT:43LT:5 הוא תגובה כימית גבוהה ו-D) הוא בערך משוואה מטושטשת של משוואה .

(ב) ויקרא י"ד): "[2] ,2 [=] ,2 [=] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

גזי האכילה מועברים על פני זרז מבוסס ברזל בטמפרטורות גבוהות ולחצים, והאמפוניה המתקבלת הוסרה כל הזמן כדי להניע את שיווי המשקל קדימה.התהליך נשאר המסלול התעשייתי הדומיננטי לאמוניה במשך יותר ממאה שנים, עם ייצור גלובלי העולה על 150 מיליון טון מדי שנה.חשיבותו לאספקת המזון המודרנית אינה יכולה להיות מוגזמת - כמחצית מהחנקן בגוף האדם מקורו מ-Bosber-Bosm-Bos amm.

כדי להבין מדוע תנאים ספציפיים נבחרים, יש לשקול הן את התרמודינמיקה (מיקום האקליום) ואת הקינטיקה (קצב פעולה) של המערכת.הקבוע איזון, FLT:0KirFLT:1, הוא תלות טמפרטורה, ומספר השופרות של גז יורד מ-4 בצד מגיב לשני בצד, מה שהופך את הלחץ לעוצמתי.

גורמים המשפיעים על Equilibrium

לפי העיקרון של לה צ'אטלר, מערכת בהשמנה, כאשר נתון לשינוי בתנאים, ישנה את עמדתה לדלפק חלקית המשתנה.עבור תהליך האגבר, שלושת המשתנים העיקריים שניתן לשלוט בהם הם טמפרטורה, לחץ, ונוכחותו של זרז.כל אחד משפיע על האיזון באופן שונה, ומערכת היחסים ביניהם מגדירה את החלון התפעולי התעשייתי.

טמפרטורה

התגובה של Haber היא קיצונית, כלומר היא משחררת חום כפי שהיא מתקדמת לכיוון אמוניה. וכתוצאה מכך, טמפרטורה נמוכה יותר לטובת ייצור אמוניה. ב 25 מעלות צלזיוס (298 KIRFLT:0puaFLT:0philFLT 1 הוא על סדר 10LT:25FLT 3), המציין כי משקל קבוע מאוד של תשואה אנרגיה תרמית הוא נמוך מאוד, אך פעולה חנקן הוא גבוה מאוד, עם לחץ אנרגיה איטי של חנקן.

כדי להשיג שיעור מעשי, כור תעשייתי פועל בטמפרטורות גבוהות, בדרך כלל בטווח של 400-500 מעלות צלזיוס (673-773 K) ב 400 מעלות צלזיוס, KIRFLT:0pcioFLT:1 טיפות עד 0.02, כלומר בתנאים אופייניים רק כ 15-20% של גזי המזינים להמיר אמוניה לכל אורך דרך הכור.

(FLT:0Key Trade-offture:FLT:1 טמפרטורה נמוכה יותר) תשואה של איזון גבוהה (חיובי יתר מבחינה דינמית) אבל קצב איטי יותר (בדרך כלל שלילי) הטמפרטורה האופטימלית היא פשרה המספקת המרה מקובלת בעת מתן זרז לתפקד ביעילות. צמחים מודרניים משתמשים לעתים קרובות כמה זרז עם בידוד כדי לנהל את שחרור החום ולשמור על הטמפרטורות ליד טווח אופטימלי עבור כל שלב.

לחץ לחץ

(ה) [ה]] [ה]]], [ה]], [ה]], [ה], [ה]]], [ה], [ה]][ה]]]]], [ה[[המאה ה-20], [ה[[המאה ה-20]],]]], היא בעלת לחץ על פי ה[[ה[[המאה ה-20]], ו[[1924]], ו[[1924]], [[המאה ה-20]], [[המאה ה[[1924]],]],]], [[1924]], [[1924]],]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[19

בפועל תעשייתי משתמש בלחץ בטווח של 150-200 אטמוספירות (15-20 MPa) לחצים גבוהים יותר יגדילו באופן תיאורטי את התשואות קדימה, אבל הם כופים מגבלות הנדסיות חמורות. קומפרס וכלי כורים חייבים לעמוד בפני כוחות קיצוניים, ושיקולי בטיחות עולים.הרווח השולי בתשואות יורדות ככל שהלחץ גובר; מעל 300 אטמוספירות, עלות ההון והסיכון הנוספים עולים על היתרונות.

ראוי לציין כי ההשפעה של הלחץ בולטת ביותר בטמפרטורות בינוניות.בטמפרטורות גבוהות יותר, קבוע שיווי המשקל הופך קטן יותר, צמצום כוח הנהיגה התרמודינמי אפילו בלחץ גבוה.לעומת זאת, בטמפרטורות נמוכות, תשואה גבוהה מאוד אפשרית בלחץ מתון - אבל שוב, מחסום הקינטי חייב להתגבר.

(FLT:0Key Trade-offure: FLT:1 לחץ גבוה יותר תשואות משקל גבוהות יותר, אך עלויות הון ואנרגיה גבוהות יותר לבניית דחיסה וספינת כלי שיט.לחץ התפעולי הנבחר משקף אופטימיזם כלכלי, לא רק אחד כימי.

Catalysts

בעוד זרז אינו משנה את עמדת שיווי המשקל - הוא משנה רק את השיעור שבו מתקרב שיווי משקל - חיוני לעשות את תהליך Haber באופן תעשייתי אפשרי.ללא זרז, השילוב הישיר של NreaFLT:0203FLT:1 ו HIRLT:203FLT:2 LT 3 הוא כמעט בלתי אפשרי בטמפרטורות מעשיות בגלל האנרגיה הפעילה גבוהה מאוד.

(ב) זרז ראשי (המכונה) הוא ברזל מתכתי (עמ' 3), שקודם לעיתים קרובות עם כמויות קטנות של תחמוצות של אשלגן (Kirph:0)22FLT:2FLT:2 (ה-Absp;2FLT:2FLT: 8) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מיטות Catalyst בדרך כלל מסודרים בתצורת אוריינות או אקסקלי כדי למקסם את הקשר בין גזים לבין פני השטח הפעיל.לאורך זמן, הזרז יכול להיות מועל על ידי תרכובות sulfur או זיהומים אחרים להאכיל, כך טיהור זהיר של מימן (לעיתים קרובות מרפורמת קיטור של מתאן) הוא חיוני.הזרז פועל ברציפות במשך כמה שנים לפני החלפת, אבל הפעילות שלה בהדרגה בשל הצטברות של דחיינות ושפלת של מתפוררות פיזית של מנטה.

למרות שהזרז אינו משנה את שיווי המשקל, הוא מאפשר את התגובה להמשיך בטמפרטורה נמוכה מספיק כדי לשמור על קבוע איזון סביר תוך השגת שיעור רווחי מבחינה מסחרית.בלעדיו, התהליך ידרוש טמפרטורות מעל 1000 מעלות צלזיוס, שבו יישאה שיווי המשקל יהיה רשלני.

ריכוז ו Ammonia Removal

למרות שלא תמיד הדגשה בטיפולים מבוא, הסרת האמוניה כפי שהיא טפסים היא אסטרטגיה מבצעית קריטית. על ידי הדבקה אמוניה מתוך זרם המוצר (יש לו נקודה הרבה יותר גבוהה מאשר גזי הזנה), ריכוז NHFLT:03FLT 1 בדלק מחזורי נשמר נמוך.

השלכות מעשיות על פעילות תעשייתית

בחירת תנאי הפעלה עבור צמח Haber-Bosch היא בעיה אופטימיזציה רב-אובייקטיבי.המטרה היא לא רק למקסם את תשואות שיווי המשקל של אמוניה אלא להשיג את העלות הנמוכה ביותר עבור המוצר, לקחת בחשבון השקעות הון, קלט אנרגיה, בטיחות וציות סביבתי.

תנאים תעשייתיים טיפוסיים

רוב צמחי האמוניה המודרניים פועלים:

  • (FLT:0) Temperature:FLT:1 400-500 מעלות צלזיוס (לעתים קרובות סביב 450 מעלות צלזיוס במיטה הזרזית הראשונה, עם קירור בין 380–400 מעלות צלזיוס במיטות מאוחרות יותר)
  • (ב) [ה]:0] ,364 20,200 Atm (15-20 MPa]
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) מהירות:0 (הרחבה:0) מהירות זרימת גבוהה (מהירות שטח של 10,000-20,000 hFLT:2-103FLT 3:) כדי למנוע איזון מלהגיע במעבר אחד, ובכך לנצל קינטיקה מהירה בטמפרטורות גבוהות יותר ולאחר מכן מחזור גזים ללא הפרעה.

ההמרה החד-צדדית היא בדרך כלל 10-20%, אך המרה הכוללת לאחר מחזורים מרובים מתקרבת 97-99%.גישה מחזורית זו יעילה הרבה יותר מאשר ניסיון להשיג המרה גבוהה במעבר אחד על ידי שימוש בלחץ גבוה מאוד או טמפרטורה נמוכה מאוד, שניהם יהיו יקרים או איטיים.

אנרגיה ושיקולים כלכליים

תהליך Haber הוא אנרגיה אינטנסיבית.הדחיסה של גזי מזון ל-150-200 אינץ 'צריכה חלק משמעותי של תקציב האנרגיה של הצמח, לעתים קרובות מסופק על ידי אותו תהליך הרפורמה קיטור המייצר מימן. כ 28–35 GJ של אנרגיה נדרש למטר של אמוניה, עם כ -70% מזה המשמש לייצור מימן ודחיסה.

מכיוון שהתגובה היא אקסותרמית, ניתן לשחזר את החום באמצעות חילופי חום גזים להאכיל טרום חום או לייצר קיטור עבור טורבינות.צמחים מודרניים להשיג יעילות תרמית הכוללת של 60–70%, הרבה יותר טוב מאשר עיצובים קודמים.המסחר בין תשואה צריכת אנרגיה הוא עדין במיוחד: עלייה בלחץ גבוה יותר לעובר אך דורש יותר דחיסות צמחים להשתמש בתהליך סימולציה ומודלים כלכליים כדי למצוא את הלחץ כי בדרך כלל נופלת 150 מעלות ייצור.

בטיחות היא גורם חשוב נוסף. מימן בלחץ גבוה ואמפוניה מסוכנים; דליפות יכולות לגרום לשריפות, פיצוצים או מהדורות רעילות. צמחים נועדו עם חסמים רבים, מערכות השבת חירום ופרוטוקולים תחזוקה מחמירים.הבחירה של לחץ תפעולי משפיעה גם על עיצוב כלי הכורים, אשר בדרך כלל מורכבת משכבות מרובות של פלדה לעמוד בלחצים.

איכות הסביבה וקיימות

ייצור אמוניה אחראי על כ-1–2% מהמזהמים העולמיים:0.2Felo פליטות פליטות פליטות פליטות של פחמן:1, בעיקר משום מימן נגזר מרפורמת קיטור של גז טבעי, המייצר פחמן דו חמצני כתוצר.Efforts כדי להפחית את טביעת הרגל פחמן כוללים שימוש באלקטרוליטיזה כדי לייצר מימן באמצעות חשמל מתחדשים, ולאחר מכן להאכיל אותו לתוך תהליך Haber בטמפרטורות נמוכות יותר ו -2, אשר ניתן לבצע זרז חשמליות נמוכות יותר, לדוגמה, 000 מיקרוגרם, 000, 000 עבור פעילות גופנית קלה.

רעיון מתפתח נוסף הוא המסלול "אמוניה ירוקה" שבו כל הלולאה Haber מופעל על ידי אנרגיה מתחדשת.בעיצובים אלה, התהליך חייב להיות גמיש כדי לטפל אספקת מימן לסירוגין מ אלקטרוליזה. כי גמישות מציבה דרישות חדשות על שיווי המשקל והקינטיקה: בזמינות מימן נמוכה יותר, הצמח עשוי לפעול מופחת באמצעות חישוב או לחץ נמוך יותר, הדורש שליטה זהירה כדי לשמור על המרה ולהימנע מנזק זרז.

כימיקלים Equilibrium בבקרת תהליכים

צמחי אמוניה מודרניים משתמשים במערכות בקרה מתקדמות של תהליכים כדי להתאים באופן רציף את התנאים כמו הזנה של גז, פעילות זרז, לחץ פלוגט. מודל שיווי המשקל מוטבעת בתוכנות הבקרה, לחזות את הטמפרטורה והלחץ האופטימליים עבור כל מיטה זרז.לדוגמה, אם הפעילות זרז יורדת, המפעילים עשויים להגביר את הטמפרטורה מעט כדי לשמור על שיעור הדיכאון, אבל הם חייבים להיות מודעים לכך ששינוי זה כדי להפחית את רמת האיזון של מימן באופן יעיל, אם זה, באופן יעיל יותר, אם זה, באופן יעיל, או ירידה של חומר ניקוי 3 מטר חנקן, באופן יעיל, באופן יעיל, או ירידה של חומר ניקוי חלקי, אם כן, הוא לחץ דם חלקית, הוא לחץ הדם, הוא לחץ הדם, באופן יעיל יותר, באופן יעיל יותר, הוא לחץ חלקי, אם כן, אם כן, הוא לחץ דם חלקי, באופן יעיל, הוא לחץ הדם, באופן יעיל יותר, אם כן, הוא לחץ דם נמוך יותר מאשר 3:1.

מסקנה

שיווי המשקל של תהליך Haber הוא הפגנת ספרי לימוד של העיקרון של Le Chatelier, אבל ניהול תעשייתי שלה דורש איזון אידיאלים תרמודינמי עם מציאות קינטית ומגבלות כלכליות. טמפרטורה, לחץ, וזרזים אינם משתנים עצמאיים; הם מותאמים יחד כדי להשיג תשואה מעשית בעלות סבירה.ההפחתה של יתרום, צמצום נפח של ההתקפים כי טמפרטורות נמוכות יותר ולחצים גבוהים יותר היווצרות של אמוניה מספקת את קצב ההסרה מתונה יותר של תהליך הפחתת יעילות נוסף.

בעוד העולם מבקש לדהום ייצור כימי, תהליך האגר צפוי לעבור אבולוציה נוספת - המעבר לתנאים קלים יותר הניתנים על ידי זרזים חדשים ומקורות מימן בר קיימא.אבל הממשק הבסיסי של טמפרטורה, לחץ ושוויון יישארו מרכזיים לכל תוכנית סינתזה אמוניה. עבור סטודנטים ומהנדסים כאחד, ניתוח גורמים אלה מספק הבנה עשירה של איך עקרונות כימיים מתרגמים לפתרונות הנדסיים אמיתיים.

(ב) לקריאה נוספת על תהליך Haber-Bosch התעשייתי, התפתחותו ההיסטורית ושיפורים מודרניים, מתייחס לסעיף (FLT:0Wikipedia) על תהליך HabercioFLT:1, הסקירה המקיפה ב-FLT:2Chemical Society EngineeringFLT 3: ו-ACTIFLT: 7.