Процесс Биркеланда-Эйде был одним из конкурирующих промышленных процессов в начале производства азотных удобрений . Это многоступенчатая реакция азотфиксации, в которой используются электрические дуги для реакции атмосферного азота (N 2 ) с кислородом (O 2 ), в результате чего образуется азотная кислота (HNO 3 ) с водой. [1] Полученная азотная кислота затем использовалась в качестве источника нитрата (NO 3 - ) в реакции.что может происходить в присутствии воды или другого акцептора протонов .
Он был разработан норвежским промышленником и ученым Кристианом Биркеландом вместе со своим деловым партнером Сэмом Эйде в 1903 г. [2] на основе метода, использованного Генри Кавендишем в 1784 г. [3] Завод, основанный на этом процессе, был построен в Рьюкане и Нутоддене в Норвегия, совмещенная со строительством крупных гидроэнергетических объектов. [4] [5]
Процесс Биркеланда – Эйде относительно неэффективен с точки зрения энергопотребления. Таким образом, в 1910 - х и 1920 - х годов, он постепенно заменен в Норвегии комбинацией процесса Haber и процесса Оствальда . Процесс Габера производит аммиак (NH 3 ) из молекулярного азота (N 2 ) и водорода (H 2 ), последний, как правило, но не обязательно, в современной практике получают путем паровой конверсии метана (CH 4 ). Аммиак из процесса Габера затем превращается в азотную кислоту (HNO 3 ) в процессе Оствальда . [6]
Процесс
Электрическая дуга была сформирована между двумя коаксиальными электродами трубки медных водоохлаждаемых питанием от высокого напряжения переменного тока 5 кВ с частотой 50 Гц. Сильное статическое магнитное поле, создаваемое близлежащим электромагнитом, распределяет дугу в тонкий диск под действием силы Лоренца . Эта установка основана на эксперименте Юлиуса Плюкера, который в 1861 году показал, как создать диск искр, поместив концы U-образного электромагнита вокруг искрового промежутка так, чтобы промежуток между ними был перпендикулярен промежутку между электродами. и который позже был воспроизведен аналогичным образом Вальтером Нернстом и другими. [7] Температура плазмы в диске превышала 3000 ° C. Через эту дугу продувался воздух, в результате чего часть азота вступала в реакцию с кислородом с образованием оксида азота . Путем тщательного управления энергией дуги и скоростью воздушного потока был получен выход примерно до 4-5% оксида азота при 3000 ° C и ниже при более низких температурах. [8] [9] Процесс чрезвычайно энергоемкий. Birkeland использовал близлежащую гидроэлектростанцию для производства электроэнергии, поскольку этот процесс требовал около 15 МВтч на тонну азотной кислоты, что давало примерно 60 г на кВтч. Та же реакция осуществляется молнией, обеспечивая естественный источник для преобразования атмосферного азота в растворимые нитраты. [10]
Горячий оксид азота охлаждается и соединяется с кислородом воздуха с образованием диоксида азота . Время, которое занимает этот процесс, зависит от концентрации NO в воздухе. При 1% требуется около 180 секунд, а при 6% около 40 секунд для достижения 90% конверсии. [11]
Затем этот диоксид азота растворяют в воде с образованием азотной кислоты, которую затем очищают и концентрируют фракционной перегонкой . [12]
Дизайн процесса абсорбции имел решающее значение для эффективности всей системы. Диоксид азота абсорбировали водой в серии абсорбционных колонн с насадочной или тарельчатой колонны, каждая из которых высотой четыре этажа, с получением приблизительно 40-50% азотной кислоты. Первые башни барботировали диоксид азота через воду и инертные кварцевые фрагменты. Как только первая башня достигла конечной концентрации, азотная кислота была перемещена в гранитный контейнер для хранения, а жидкость из следующей водонапорной башни заменила ее. Это движение продолжалось до последней водонапорной башни, которую наполнили пресной водой. Около 20% образовавшихся оксидов азота остались непрореагировавшими, поэтому последние башни содержали щелочной раствор извести для преобразования оставшегося в нитрат кальция (также известный как норвежская селитра), за исключением примерно 2%, которые были выброшены в воздух. [13]
Рекомендации
- ^ Ремсен, I .; Ренуп, Х. (1906). «Окисление атмосферного азота применительно к производству нитратов и азотной кислоты» (PDF) . Американский химический журнал . 35 : 358–367 . Дата обращения 1 февраля 2019 .
- ^ Эйде, Сэм (1909). «Производство нитратов из атмосферы с помощью электрической дуги - процесс Биркеланда-Эйда». Журнал Королевского общества искусств . 57 (2949): 568–576. JSTOR 41338647 .
- ^ Аарон Джон Идэ (1984). Развитие современной химии . Courier Dover Publications. п. 678. ISBN 0-486-64235-6.
- ^ Дж. Дж. Ли (2004). Величайшее лекарство в мире: история азота и сельского хозяйства . Oxford University Press, США. С. 134–139 . ISBN 0-19-516582-9.
- ^ Биркеланд, Кр. (1906). «Об окислении атмосферного азота в электрических дугах» . Труды общества Фарадея . 2 (декабрь): 98. doi : 10.1039 / tf9060200098 . ISSN 0014-7672 .
- ^ Тревор Илтид Уильямс; Томас Кингстон Дерри (1982). Краткая история технологий двадцатого века c. 1900-с. 1950 . Издательство Оксфордского университета. С. 134–135. ISBN 0-19-858159-9.
- ^ Уорден, Эдвард Чонси (1921). Технология эфиров целлюлозы . 1: 2 . Компания Д. Ван Ностранд. п. 870 .
- ^ Меллор, JW (1918). Современная неорганическая химия . Longmans, Green and Co. стр. 509 .
- ^ Мартин, Джеффри; Барбур, Уильям (1915). Промышленные азотные соединения и взрывчатые вещества . Кросби Локвуд и сын. п. 21 .
- ^ Карл Фишер; Уильям Э. Ньютон (2002). Дж. Дж. Ли (ред.). Фиксация азота в тысячелетии . Эльзевир. С. 2–3. ISBN 0-444-50965-8.
- ^ Уэбб, HW (1923). Поглощение азотистых газов . Эдвард Арнольд и компания стр. 20 .
- ^ Дуглас Эрвин (2002). Промышленное химическое проектирование . Макгроу-Хилл. п. 613. ISBN 0-07-137621-6.
- ^ Нокс, Джозеф (1914). Фиксация атмосферного азота . Компания Д. Ван Ностранд. стр. 45 -50.