Haber procesas, kai kur dar žinomas kaip Haber-Borsch procesas, yra mokslinis metodas, kurio metu iš azoto ir vandenilio sukuriamas amoniakas. Geležis veikia kaip katalizatorius, o proceso sėkmė daugiausia priklauso nuo idealios temperatūros ir slėgio; dažniausiai tai atliekama uždaroje kameroje, kurioje sąlygos gali būti atidžiai kontroliuojamos. Šis procesas yra labai svarbus daugeliui skirtingų pramonės šakų ir sutaupė daugybę valandų gamintojams, kuriems kitu atveju būtų tekę gaminti amoniaką kitomis, paprastai daug pastangų reikalaujančiomis, priemonėmis. Tai šiek tiek sudėtinga atlikti, tačiau tinkamai atlikus tai paprastai duoda labai patikimų rezultatų.
Kaip procesas buvo vystomas
Šį procesą 1909 m. sukūrė vokiečių chemikas Fritzas Haberis, o vėliau jį pramoniniu mastu išplėtė kitas vokietis Carlas Boschas. Abu vyrai 1918 metais buvo apdovanoti Nobelio premija už techninių kliūčių, kylančių naudojant aukšto slėgio technologijas pramoniniu mastu, įveikimą. Prieš sukuriant metodą, amoniaką buvo gana sunku išgauti, todėl jis buvo gana brangus. Išsiaiškinus būdą, kaip jį greičiau sintetinti, jis tapo prieinamesnis ir pigesnis. Šis procesas taip pat atvėrė kelią labiau kontroliuojamiems aplinkos eksperimentams ir cheminiams mažinimams.
Kaip tai veikia?
Daugeliu atvejų amoniakui sukurti reikalingi trys pagrindiniai elementai: vandenilis, azotas ir tam tikras katalizatorius. Nors iš pradžių kaip katalizatoriai buvo naudojami osmis ir uranas, vėliau jie buvo pakeisti geležimi, nes tai yra daug pigesnė alternatyva ir veikia taip pat gerai. Kontroliuojama aplinka taip pat labai svarbi. Paprastai amoniakas sintetinamas šukuojant vieną tūrį azoto su trimis tūriais vandenilio, kai katalizatoriumi yra akytasis geležis. Haber procesas vykdo šią reakciją esant optimaliai 1022 °F (550 °C) temperatūrai ir atitinkamai 2175–3626 psi (15–25 MPa) slėgiui.
Reakcijos vandenilis paprastai gaunamas metanui arba gamtinėms dujoms reaguojant su garais, kai katalizatorius yra nikelio oksidas. Tada elementas pereina per geležies oksido sluoksnius kartu su azoto dujomis iš atmosferos. Kadangi kambario temperatūroje reakcija vyksta labai lėtai, temperatūra padidinama, kad procesas būtų paspartintas. Ši reakcija yra egzoterminė, o tai reiškia, kad ji išskiria šilumą, todėl temperatūros padidėjimas tik paskatins atvirkštinę reakciją ir linkęs toliau mažinti produkto kiekį.
Tai atitinka Le Chatlier principą, kuris teigia, kad bet koks koncentracijos, temperatūros, tūrio ar dalinio slėgio pasikeitimas pusiausvyros sistemoje privers pusiausvyrą pasislinkti, kad būtų neutralizuotas primestas pokytis. Paprasčiau tariant, padidinus reakcijos temperatūrą, kad paspartėtų amoniako gamyba, susidaręs amoniakas toliau skirsis į azotą ir vandenilį. Kadangi katalizatorius gali veiksmingai veikti tik maždaug 752 °F (400 °C), temperatūra turi būti palaikoma nuo 752 °F iki 1022 °F (300 °C ir 550 °C).
Slėgio svarba
Haber procesas dažniausiai veikia efektyviausiai aplinkoje, kurioje yra labai didelis slėgis. Tai padidina amoniako susidarymą ir pagerina galutinio produkto sulaikymo greitį. Tačiau net ir idealiomis sąlygomis kiekviename pravažiavime gaunama tik apie 15 % amoniako. Pakartotinai perdirbant nesureaguotas dujas, galima gauti beveik 98 proc. Vis dėlto gali būti sudėtinga, kad nesureagavusį produktą būtų galima perdirbti. Už didelio slėgio aplinkos tai beveik neįmanoma.
Kodėl tai svarbu
Daugeliui pramonės šakų ir gamybos projektų buvo labai naudinga šio proceso efektyvumas ir efektyvumas. Amoniakas yra labai svarbus daugeliui skirtingų dalykų – jis yra įprastas namuose kaip valymo priemonė, bet taip pat būtinas gaminant azoto turinčias trąšas ir daugumą šaudmenų. Procesas naudojamas gaminant beveik 100 milijonų tonų trąšų kasmet, be to, jis yra gyvybiškai svarbus daugumai karinių pajėgų ir gynybos rangovų visame pasaulyje.