Процесс Габера — Боша: промышленный синтез аммиака¶

Процесс Габера — Боша — промышленный метод синтеза аммиака из азота и водорода, основанный на каталитической реакции при высоких температуре и давлении. Разработан в первой половине XX века и стал первой крупнотоннажной технологией связывания атмосферного азота, что позволило производить азотные удобрения и взрывчатые вещества в промышленных масштабах.

¶Химическая сущность

Реакция описывается уравнением:

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ + Q

Процесс экзотермичен (выделяется около 92 кДж на моль аммиака) и сопровождается уменьшением объёма. Согласно принципу Ле Шателье, выход аммиака повышается при высоком давлении и низкой температуре. Однако при низких температурах скорость реакции ничтожна, поэтому на практике применяют компромиссные условия: 400–500 °C и давление 150–300 атмосфер в присутствии катализатора.

¶История

В начале XX века связанный азот получали преимущественно из чилийской селитры и коксового газа. Немецкий химик Фриц Габер в 1908–1909 годах экспериментально показал возможность синтеза аммиака из элементов под давлением на осмиевом катализаторе. В 1913 году при участии инженера Карла Боша компания BASF ввела в строй первый завод в Оппау (Германия). Бош разработал аппаратурное оформление процесса и заменил дорогой осмий на более доступный железный катализатор с добавками оксидов калия и алюминия.

За эти работы Габер получил Нобелевскую премию по химии (1918), а Бош — (1931, совместно с Фридрихом Бергиусом).

¶Технологическая схема

Современный агрегат синтеза аммиака включает несколько стадий:

1. Получение водорода — конверсия природного газа (метана) водяным паром, либо газификация угля, либо электролиз воды.
2. Получение азота — разделение воздуха или сжигание кислорода воздуха в реакторе.
3. Очистка синтез-газа — удаление серы, оксидов углерода, каталитических ядов.
4. Компримирование — сжатие смеси до рабочего давления.
5. Синтез — прохождение газа через реактор с катализатором.
6. Конденсация и рецикл — выделение жидкого аммиака, возврат непрореагировавшего газа в цикл.

Степень превращения за один проход невелика (15–25 %), поэтому применяется циркуляционная схема.

¶Катализаторы

Первые катализаторы на основе осмия и урана были дороги и токсичны. Промышленное распространение получил железный катализатор, промотированный оксидами калия, алюминия, кальция и кремния. Активной формой является металлическое α-железо. Катализатор чувствителен к отравлению сернистыми соединениями, поэтому газ тщательно очищают.

¶Значение

Процесс Габера — Боша обеспечил производство азотных удобрений, что позволило существенно повысить урожайность сельского хозяйства и, по оценкам, поддержать рост населения планеты. Одновременно технология дала Германии независимый источник азота для производства взрывчатки, что повлияло на ход Первой мировой войны.

Синтез аммиака потребляет около 1–2 % мировой энергии; на него приходится значительная доля выбросов CO₂ среди химических производств. Разрабатываются «зелёные» варианты — с использованием водорода из возобновляемых источников.

¶Критика и дискуссии

Фриц Габер подвергался критике за участие в разработке химического оружия. Вопросы вызывают также экологические последствия масштабного применения азотных удобрений: загрязнение водоёмов, эвтрофикация, выбросы закиси азота.