Metoda Habera i Boscha

Metoda Habera i Boscha – proces technologiczny umożliwiający otrzymywanie amoniaku z azotu i wodoru, zgodnie z reakcją chemiczna:

$N_{2(g)} + 3 H_{2(g)} \rightarrow 2 NH_{3(g)} + 91,88kJ$

Metoda bezpośredniej syntezy amoniaku z wodoru i azotu została odkryta przez niemieckiego fizykochemika, Fritza Habera. Otrzymał on za to, w 1918 roku, Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii . Odkrycie umożliwiło wytworzenie amoniaku na skalę przemysłową, przy użyciu katalizatorów i wysokiego ciśnienia, metodą ekonomicznie opłacalną. Metoda została wykorzystana na dużą skalę przez Carla Boscha, chemika przemysłowego, który otrzymał Nagrodę Nobla w 1931 roku, wspólnie z Friedrichem Bergiusem za badania nad reakcjami prowadzonymi w wysokich ciśnieniach. Jednym z dwóch pionierskich zakładów produkujących przemysłowo amoniak tą metodą były Zakłady Azotowe w Chorzowie.

Znaczenie

Współcześnie ocenia się, że nawozy azotowe produkowane przy użyciu tej metody odpowiedzialne są za produkcje żywności utrzymującej przy życiu ok. jednej trzeciej ludzkości. Według innej oceny, połowa protein w ludziach została związana przy użyciu azotu pochodzącego z tej metody (reszta została związana przez bakterie). Metoda ta jest także szeroko wykorzystywana do produkcji materiałów wybuchowych (zobacz azotan amonu).

Proces otrzymywania

Proces przebiega w trzech etapach:

1. azot i wodór trafiają do sprężarki, gdzie osiągają ciśnienie 250 atmosfer,
2. gazy reagują w konwentorze zawierającym katalizator (metaliczne żelazo z dodatkiem promotorów),
3. gazy wypływające z konwertora są oziębiane do temperatury -50°C; celem tej operacji jest oddzielenie ulegającego kondensacji amoniaku od azotu i wodoru, które nie przereagowały.

Im niższa jest temperatura i wyższe ciśnienie, tym większa równowagowa zawartość amoniaku w mieszaninie. Obniżanie temperatury powoduje jednak spadek szybkości tworzenia się amoniaku, niezbędny jest zatem znalezienie optymalnej temperatury, przy której uzyskuje się akceptowalną szybkość tworzenia amoniaku oraz wydajność tej reakcji. W praktyce przemysłowej reakcja ta jest przeprowadzana przy ciśnieniu zawierającym się w przedziale od 200 do 400 atmosfer oraz temperatur wahających się pomiędzy 400 a 650 °C.

Katalizator

Katalizatorem tej reakcji jest Fe, które pochodzi z magnetytu. Magnetyt stapia się z promotorami w temperaturze 1600 °C, odlewa, chłodzi i rozdrabnia na granulki (3-8 mm)

Aby zwiększyć skuteczność działania katalizatora dodaje się do niego:

• K₂O – który zmniejsza wrażliwość na zatrucia związkami siarki, ale zwiększa wrażliwość na zatrucia związkami tlenu
• CaO – zwiększa odporność na przegrzanie oraz wrażliwość na zatrucie związkami siarki i chloru, gdy część CaO zastąpi się MgO wzrasta aktywność
• Al₂O₃ – stabilizuje porowatą strukturę, zwiększa powierzchnię i przeciwdziała nadtapianiu się w miejscach aktywnych
• SiO₂ – stabilizuje porowatą strukturę.