Η διαδικασία Haber, γνωστή σε ορισμένα μέρη και ως διαδικασία Haber-Borsch, είναι μια επιστημονική μέθοδος μέσω της οποίας δημιουργείται αμμωνία από άζωτο και υδρογόνο. Ο σίδηρος δρα ως καταλύτης και η επιτυχία της διαδικασίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ιδανική θερμοκρασία και πίεση. Τις περισσότερες φορές, διεξάγεται σε κλειστό θάλαμο όπου οι συνθήκες μπορούν να ελέγχονται στενά. Η διαδικασία είναι πολύ σημαντική για έναν αριθμό διαφορετικών βιομηχανιών και έχει εξοικονομήσει αμέτρητες ώρες για τους κατασκευαστές που διαφορετικά θα έπρεπε να δημιουργήσουν αμμωνία με άλλα, συνήθως πολύ πιο επίπονα, μέσα. Είναι κάπως περίπλοκη η εκτέλεση, αλλά, όταν γίνεται σωστά, γενικά λαμβάνει πολύ αξιόπιστα αποτελέσματα.
Πώς αναπτύχθηκε η διαδικασία
Αυτή η διαδικασία αναπτύχθηκε από τον Γερμανό χημικό Fritz Haber το 1909, και αργότερα επεκτάθηκε σε βιομηχανική κλίμακα από έναν άλλο Γερμανό, τον Carl Bosch. Και οι δύο άνδρες τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1918 για την υπέρβαση των τεχνικών εμποδίων που εμπλέκονται στη χρήση της τεχνολογίας υψηλής πίεσης σε βιομηχανική κλίμακα. Πριν από την ανάπτυξη της μεθόδου, η αμμωνία ήταν σχετικά δύσκολο να εξαχθεί και, ως εκ τούτου, έτεινε να είναι αρκετά ακριβή. Η εξεύρεση ενός τρόπου πιο γρήγορης σύνθεσής του το έκανε πιο διαθέσιμο και λιγότερο δαπανηρό. Η διαδικασία άνοιξε επίσης το δρόμο για περισσότερα πειράματα ελεγχόμενου περιβάλλοντος και χημικές μειώσεις.
Πώς Λειτουργεί
Στις περισσότερες περιπτώσεις, υπάρχουν τρία βασικά στοιχεία που απαιτούνται για τη δημιουργία αμμωνίας: υδρογόνο, άζωτο και κάποιο είδος καταλύτη. Αν και το όσμιο και το ουράνιο χρησιμοποιήθηκαν αρχικά ως καταλύτες, αργότερα αντικαταστάθηκαν από σίδηρο, καθώς είναι μια πολύ φθηνότερη εναλλακτική λύση και τείνει να λειτουργεί εξίσου καλά. Ένα ελεγχόμενο περιβάλλον είναι επίσης πολύ σημαντικό. Γενικά, η αμμωνία συντίθεται με χτένισμα ενός όγκου αζώτου με τρεις όγκους υδρογόνου παρουσία πορώδους σιδήρου ως καταλύτη. Η διεργασία Haber εκτελεί αυτή την αντίδραση υπό βέλτιστη θερμοκρασία 1022°F (550°C) και πίεση 2175 έως 3626 psi (15 έως 25 MPa), αντίστοιχα.
Το υδρογόνο για την αντίδραση γενικά λαμβάνεται με αντίδραση μεθανίου ή φυσικού αερίου με ατμό παρουσία οξειδίου του νικελίου ως καταλύτη. Το στοιχείο στη συνέχεια γίνεται να περάσει πάνω από στρώματα οξειδίου του σιδήρου, μαζί με αέριο άζωτο από την ατμόσφαιρα. Καθώς η αντίδραση είναι πολύ αργή σε θερμοκρασία δωματίου, η θερμοκρασία αυξάνεται για να επιταχυνθεί η διαδικασία. Αυτή η αντίδραση είναι εξώθερμη, πράγμα που σημαίνει ότι απελευθερώνει θερμότητα, επομένως μια αύξηση της θερμοκρασίας θα ευνοήσει μόνο την αντίστροφη αντίδραση και τείνει να οδηγήσει σε περαιτέρω μείωση του προϊόντος.
Αυτό είναι σύμφωνο με την αρχή του Le Chatlier, η οποία δηλώνει ότι οποιαδήποτε αλλαγή στη συγκέντρωση, τη θερμοκρασία, τον όγκο ή τη μερική πίεση σε ένα σύστημα σε ισορροπία θα προκαλέσει τη μετατόπιση της ισορροπίας προκειμένου να εξουδετερωθεί η επιβαλλόμενη αλλαγή. Με πιο απλά λόγια, εάν η θερμοκρασία της αντίδρασης αυξηθεί για να επιταχυνθεί η παραγωγή αμμωνίας, θα οδηγήσει σε περαιτέρω διάσπαση της παραγόμενης αμμωνίας σε άζωτο και υδρογόνο. Εφόσον ο καταλύτης μπορεί να λειτουργήσει αποτελεσματικά μόνο περίπου στους 752°F (400°C), η θερμοκρασία πρέπει να διατηρείται μεταξύ 752° και 1022°F (300° και 550°C).
Σημασία της πίεσης
Η διαδικασία Haber τείνει να λειτουργεί πιο αποτελεσματικά σε περιβάλλοντα με πολύ υψηλή πίεση. Αυτό αυξάνει τον σχηματισμό αμμωνίας και βελτιώνει τους ρυθμούς κατακράτησης του τελικού προϊόντος. Ακόμη και υπό ιδανικές συνθήκες, όμως, μόνο το 15% περίπου της αμμωνίας λαμβάνεται σε κάθε πέρασμα. Με επαναλαμβανόμενη ανακύκλωση του αερίου που δεν αντέδρασε, είναι δυνατή η ανάκτηση σχεδόν 98%. Ωστόσο, η διατήρηση αυτού του προϊόντος που δεν έχει αντιδράσει διαθέσιμο για ανακύκλωση είναι εκεί όπου τα πράγματα μπορούν να γίνουν δύσκολα. Έξω από ένα περιβάλλον υψηλής πίεσης, είναι σχεδόν αδύνατο.
Γιατί έχει σημασία
Πολλές βιομηχανίες και μεταποιητικά έργα έχουν ωφεληθεί σε μεγάλο βαθμό από την αποδοτικότητα και την αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας. Η αμμωνία είναι πολύ σημαντική για πολλά διαφορετικά πράγματα – είναι κοινή στο σπίτι ως προϊόν καθαρισμού, αλλά είναι επίσης απαραίτητη για την κατασκευή λιπασμάτων που περιέχουν άζωτο και των περισσότερων μορφών πυρομαχικών. Η διαδικασία χρησιμοποιείται για την παραγωγή σχεδόν 100 εκατομμυρίων τόνων λιπασμάτων κάθε χρόνο και είναι επίσης ζωτικής σημασίας για τους περισσότερους στρατιωτικούς και αμυντικούς εργολάβους σε όλο τον κόσμο.