Просмотр кода страницы Процесс Габера

[[Файл:Haber-Bosch-Ru.svg|мини|248x248пкс|Схема процесса Габера]]
'''Проце́сс Га́бера (Ха́бера)''' — промышленный процесс (изобретен [[Габер Фриц|Фрицем Габером]] и [[Бош Карл|Карлом Бошем]]), в котором атмосферный азот «связывается» путём синтеза [[аммиак]]а. Смесь азота и водорода пропускается через нагретый катализатор под высоким давлением{{sfn|Словарь, 2009|с=}}. При этом за счёт высокого давления равновесие в реакции N<sub>2</sub> + 3 H<sub>2</sub> ⇄ 2NH<sub>3</sub> смещается в сторону аммиака. Водород для получения аммиака извлекают из [[метан]]а, [[Синтез-газ|обрабатывая его водяным паром]].

== К истории синтеза аммиака ==
До разработки процесса Габера — Боша аммиак получали двумя энергоемкими способами: цианамидным и нитридным<ref>{{книга|автор=Под ред. Ю.Д. Третьякова|заглавие=Неорганическая химия: в 3 т|место=Москва|издательство=Издательский центр «Академия»|год=2004|том=2|страницы=179}}</ref>. Первый был основан на гидролизе [[Цианамид кальция|цианамида кальция]] CaCN<sub>2</sub>:

:: <math>\mathsf{CaCN_2 + 3H_2O = CaCO_3 + 2NH_3 \uparrow}</math>

Цианамид кальция предварительно получали длительным нагреванием до температуры около {{nobr|1000 °С}} порошка [[карбид кальция|карбида кальция]] в атмосфере [[азот]]а<ref name=Ullmann>{{cite encyclopedia|author= Thomas Güthner |author2=Bernd Mertschenk |title= Cyanamides |encyclopedia= Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry |publisher= [[Wiley-VCH]] |location= Weinheim |year=2006|doi=10.1002/14356007.a08_139.pub2}}</ref><ref>''Третьяков Ю. Д.'' Неорганическая химия// 2 том, 2-е издание.</ref>:

: <chem>CaC2 + N2 -> CaCN2 + C</chem>.

В основе нитридного способа лежит гидролиз [[Нитрид алюминия|нитрида алюминия]], который получают сплавлением [[корунд]]а с коксом в присутствии азота:

:: <math>\mathsf{Al_2O_3 + 3C + N_2 = 2AlN + 3CO \uparrow}</math>
:: <math>\mathsf{AlN + NaOH + 3H_2O = Na[Al(OH)_4] + NH_3 \uparrow}</math>

Также перед химиками стояла задача химического связывания азота, и в XIX веке её пытались решить, окисляя азот кислородом при температурах выше 2200 °С. Этот процесс был осуществлен учёными [[Биркеланд, Кристиан|Х. Биркеландом]] и [[Эйде, Сам|С. Эйде]] в [[вольтова дуга|вольтовой дуге]]. Также ими было обнаружено, что реакция ускоряется в присутствии [[Оксид железа(III)|Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]. В 1901 году был зарегистрирован патент на имя [[Ле Шателье, Анри Луи|А. Ле Шателье]] на реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. В патенте указывалась необходимость высокого давления, а также присутствие [[катализатор]]а. В 1904—1907 годах [[Оствальд, Вильгельм Фридрих|В. Оствальдом]], [[Нернст, Вальтер Герман|В. Нернстом]] и Ф. Габером были выполнены работы, позволившие установить равновесные концентрации водорода, азота и аммиака в зависимости от давления и температуры. В марте 1909 года Ф. Габер впервые получил аммиак при 600 °С и 17,5 МПа, используя в качестве катализатора порошкообразный [[осмий]]. Результаты учёный передал в фирму [[BASF]], которая построила в 1913 году первый завод по синтезу аммиака. Аппаратуру для него разработал инженер К. Бош.

В фирме BASF было изучено более 8000 катализаторов процесса. Уже в 1910 году было показано, что лучшим катализатором является плавленое железо с добавками оксидов алюминия, калия и кальция. Этот катализатор стал основным для синтеза аммиака на 90 лет.

Первое производство в СССР было основано в 1928 году на [[Корунд (предприятие)|Чернореченском химическом заводе]] в [[Дзержинск (Нижегородская область)|Дзержинске]]. В 1990 году СССР был лидером по производству аммиака — 28 млн т/год. На середину 2000-х годов на территории бывшего СССР действовали 42 агрегата синтеза аммиака мощностью от 1360 до 1420 т/сут (около 450 тыс. т/год). Общая мощность установок в России в 2001 году составляла 14,2 млн т/год, а всего в странах СНГ — 22 млн т/год<ref>{{книга |автор=Крылов О. В. |заглавие=Гетерогенный катализ. Учебное пособие для вузов |место=М. |издательство=Академкнига |год=2004 |страниц=679 |isbn=5-94628-141-0}}</ref>.

== Свойства процесса Габера ==
[[Файл:Ammoniakreaktor MS-ru.svg|thumb|300px|Схема колонны синтеза аммиака]]
Важным свойством процесса Габера является его безотходность. Реакция образования аммиака из водорода и азота равновесная и экзотермическая, поэтому при высоких температурах, необходимых для достижения приемлемой скорости реакции равновесие смещается в сторону азота и водорода, и выход аммиака за один проход смеси газов через катализатор в промышленных условиях не превышает {{nobr|14—16 %}}<ref name="Uch">{{книга |часть=§ 19. Взаимодействие азота с водородом |автор=Ходаков Ю. В., Эпштейн Д. А., Глориозов П. А. |заглавие=Неорганическая химия. Учебник для 9 класса |издание=7-е изд |издательство=[[Просвещение (издательство)|Просвещение]] |место=М. |год=1976 |тираж=2350000 |страницы=38—41}}</ref>. Поэтому выходящую из реактора смесь охлаждают до температуры конденсации аммиака, сжиженный аммиак отделяют в сепараторе, а оставшуюся смесь водорода и азота направляют на рециркуляцию — вновь нагревают и пропускают через колонну синтеза с катализатором. Таким образом, в процессе Габера теоретический выход в реакции синтеза аммиака составляет {{nobr|100 %}}.

Выход аммиака ([[Объёмный процент|в объёмных процентах]]) за один проход катализатора при различных температурах и давлении имеет следующие значения<ref name="Uch" />:
: {| class="wikitable" style="text-align: right"
!
! 100 [[Атмосфера (единица измерения)|ат]]
! 300 [[Атмосфера (единица измерения)|ат]]
! 1000 [[Атмосфера (единица измерения)|ат]]
! 1500 [[Атмосфера (единица измерения)|ат]]
! 2000 [[Атмосфера (единица измерения)|ат]]
! 3500 [[Атмосфера (единица измерения)|ат]]
|-
| 400 °C || 25,12 || 47,00 || 79,82 || 88,54 || 93,07 || 97,73
|-
| 450 °C || 16,43 || 35,82 || 69,69 || 84,07 || 89,83 || 97,18
|-
| 500 °C || 10,61 || 26,44 || 57,47 ||colspan=3 rowspan=2 style="text-align:center"| Нет данных
|-
| 550 °C || 6,82 || 19,13 || 41,16
|}

Применение [[катализатор]]а (пористое [[железо]] с примесями [[оксид алюминия|Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]] и K<sub>2</sub>O) позволило ускорить достижение равновесного состояния. Интересно, что при поиске катализатора на эту роль пробовали более 20 тысяч различных веществ.

Учитывая все вышеприведённые факторы, процесс получения аммиака проводят при следующих условиях: температура 500 °C, давление 350 атмосфер, катализатор. Выход аммиака при таких условиях составляет около 30 %. В промышленных условиях использован принцип циркуляции — аммиак удаляют охлаждением, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну синтеза. Это оказывается более экономичным, чем достижение более высокого выхода реакции за счёт повышения давления<ref name=XiaopingZhang_2024>{{cite journal|journal=[[Nature Communications]]|volume=15|issue=1|article-number=1535|doi=10.1038/s41467-024-45832-9|title=Efficient catalyst-free N<sub>2</sub> fixation by water radical cations under ambient conditions|year=2024|first1=Xiaoping|last1=Zhang|first2=Rui|last2=Su|first3=Jingling|last3=Li|first4=Liping|last4=Huang|first5=Wenwen|last5=Yang|first6=Konstantin|last6=Chingin|first7=Roman|last7=Balabin|first8=Jingjing|last8=Wang|first9=Xinglei|last9=Zhang|first10=Weifeng|last10=Zhu|first11=Keke|last11=Huang|first12=Shouhua|last12=Feng|first13=Huanwen|last13=Chen|pmid=38378822|url=https://www.nature.com/articles/s41467-024-45832-9|access-date=2024-03-02|archive-date=2024-06-05|archive-url=https://web.archive.org/web/20240605095753/https://www.nature.com/articles/s41467-024-45832-9|url-status=live}}</ref>.

Несмотря на то, что реакция синтеза аммиака экзотермическая, процесс Габера очень энергоёмкий<ref name=XiaopingZhang_2024></ref>: средний расход электрической энергии на производство {{число|1|т}} аммиака составляет {{nobr|3200 кВт·ч}}. Энергия затрачивается на сжатие и нагрев смеси азота и водорода и частично рассеивается в тепло при охлаждении, необходимом для конденсации и отделения аммиака.

По оценке за {{nobr|2010 год}} индустрия азотсодержащих удобрений США употребила {{nobr|148 ПДж}} тепловой энергии от сжигания топлива, {{nobr|13 ПДж}} электрической энергии и эквивалент энергии в {{nobr|196 ПДж}} метана как источника водорода, произведя при этом {{nobr|8,7 млн т}} аммиака<ref>[https://www.energystar.gov/sites/default/files/tools/Fertilizer_guide_170418_508.pdfEnergy Efficiency and Cost Saving Opportunities for Ammonia and Nitrogenous Fertilizer Production]. — An ENERGY STAR Guide for Energy & Plant Managers. — March 2017.</ref>. Таким образом, на производство {{nobr|1 т}} аммиака было затрачено {{nobr|4700 кВт·ч}} тепловой энергии, {{nobr|415 кВт·ч}} электрической энергии и {{nobr|6300 кВт·ч}} тепловой энергии, запасённой в использованном метане. Однако эти значения затраченной энергии являются оценочными, так как статистические данные доступны только для всей индустрии в целом, а не для отдельной установки по производству аммиака.

Любопытно, что [[азотфиксация|биофиксация]] атмосферного азота микроорганизмами — ещё более энергоёмкий процесс: для фиксации 1 молекулы азота требуется не менее 12 молекул [[АТФ]], что эквивалентно {{число|5000|{{кВтч}}}} на тонну аммиака.

== Разработчики ==
Лидерами по внедрению технологий синтеза аммиака являются известные компании {{не переведено|Haldor Topsøe|||Haldor Topsøe (company)}}, [[KBR|KBR (Kellogg Brown & Root)]], [[Casale|Ammonia Casale]], [[Imperial Chemical Industries|ICI]], [[CF Braun]] (KBR), [[Uhde]] ([[ThyssenKrupp]]), [[The Linde Group|Linde]], [[Lurgi]] и другие<ref>{{книга |автор=В. Е. Агабеков, В. К. Косяков. |заглавие=Нефть и газ. Технологии и продукты переработки |место=Ростов н/Д |издательство=Феникс |год=2014 |страниц=458 |isbn=978-5-222-21726-9 |страницы=296—297}}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* {{cite web
 |url         = http://nts.sci-lib.com/article0003838.html
 |title       = Процесс Габера в словаре
 |accessdate  = 2009-09-28
 |lang        = ru
 |description = Определение процесса Габера в научно-техническом словаре
 |archiveurl  = https://www.webcitation.org/66lg05CTG?url=http://nts.sci-lib.com/article0003838.html
 |archivedate = 2012-04-08
 |ref         = Словарь, 2009
 |deadlink    = no
}}
* {{книга
 | автор         = {{nobr|Семенов В. П.}}, {{nobr|Киселев Г. Ф.}}, {{nobr|Орлов А. А.}}
 | часть         = 
 | заглавие      = Производство аммиака
 | оригинал      = 
 | ссылка        = 
 | издание       = 
 | ответственный = Под ред. В. П. Семенова
 | место         = М.
 | издательство  = Химия
 | год           = 1985
 | том           = 
 | страницы      = 
 | страниц       = 365
 | isbn          = 
}}
* {{книга
 | автор         = 
 | часть         = 
 | заглавие      = Справочник азотчика: Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство технологических газов. Синтез аммиака
 | оригинал      = 
 | ссылка        = 
 | издание       = 
 | ответственный = 
 | место         = М.
 | издательство  = Химия
 | год           = 1986
 | том           = 
 | страницы      = 
 | страниц       = 512
 | isbn          = 
}}
* {{книга
 | автор         = {{nobr|Кузнецов Л. Д.}}, {{nobr|Дмитренко Л. М.}}, {{nobr|Рабина П. Д.}}, {{nobr|Соколинский Ю. А.}}
 | часть         = 
 | заглавие      = Синтез аммиака
 | оригинал      = 
 | ссылка        = 
 | издание       = 
 | ответственный = 
 | место         = М.
 | издательство  = Химия
 | год           = 1982
 | том           = 
 | страницы      = 
 | страниц       = 296
 | isbn          = 
}}

{{ВС}}

[[Категория:Химические реакции]]
[[Категория:Пик нефти]]