Haber–Bosch-prosessen

Haber–Bosch-prosessen eller ammoniakkprosessen er en prosess innen kjemi som blir benyttet til industriell framstilling av ammoniakk ved at nitrogen og hydrogen blir ført sammen under høyt trykk. Prosessen er oppkalt etter de tyske kjemikerne Fritz Haber (1868–1934) og Carl Bosch (1874–1940).
På grunn av oppfinnelsens virkningshistorie (dens bidrag til økt matproduksjon ved fremstilling av kunstgjødsel) blir den regnet som den viktigste i det 20. århundre.

Historie

Haber–Bosch-prosessen ble utviklet av den tyske kjemikeren Fritz Haber i 1908, og ble videreutviklet av en annen tysk kjemiker, Carl Bosch. De teoretiske prinsippene for trykk-syntetiseringen av ammoniakk ved hjelp av katalysator ble patentert i 1908. Selve metoden ble patentert gjennom BASF i 1910 og den første store ammoniakkfabrikken i Oppau ved Ludwigshafen i Tyskland startet opp i 1913. Haber ble tildelt Nobelprisen i kjemi i 1918 for «for [sin] syntetiske fremstilling av ammoniakk». I 1931 fikk Bosch også Nobelprisen i kjemi for hans «bidrag til kjemisk høytrykkmetoder». 
Ved Det tekniske universitetet i Karlsruhe, hvor Fritz Haber fra 1904 startet utviklingen av metoden, står det i dag utstilt en synteseovn fra 1921. Ved BASFs hovedkvarter i Ludwigshafen står også en av de første synteseovnene fra 1913 utstilt. Ved Deutsches Chemie-Museum Merseburg finnes et komplett, rekonstruert ammoniakksynteseanlegg (1923) som skal vise historien knyttet til Leunawerke (1916). På grunn av oppfinnelsens virkningshistorie (dens bidrag til økt matproduksjon ved fremstilling av kunstgjødsel) blir den regnet som den viktigste i det 20. århundre.

Bakgrunn

Etter salpeterkrigen (1879-1884) fikk Chile kontroll over nitratmarkedet. Før første verdenskrig var Tyskland den største importøren av chilesalpeter. Ved krigsutbruddet i 1914 lå den tyske keiserlige flåte stasjonert utenfor kysten av Chile og stoppet utskipningene av natriumnitrat. 1. november 1914, i slaget ved Coronel, nedkjempet den tyske flåten en skvadron fra den britiske marine. Blokaden ble brutt i slaget ved Falklandsøyene den 8. desember 1914. Britene kunne da gjenoppta importen av chilesalpeter. Utestengelsen av Tyskland fra markedet for naturlige nitrater var med å akselerere den industrielle produksjon av syntetiske nitrater. Uten utviklingen av Haber-Boschmetoden har det blitt hevdet at Tyskland ville gått tom for ammunisjon og tapt krigen allerede i 1915.

Oppaueksplosjonen

Haber–Bosch-prosessen var bakgrunn for en av de største industriulykkene i Tyskland – Oppaueksplosjonen – der en silo som inneholdt ammoniumnitrat og ammoniumsulfat eksploderte 21. september 1921 med en kraft som tilsvarer omtrent 1–2 kilotonn med TNT. Eksplosjonen drepte 500–600 personer, skadet omtrent 2000 og etterlot 6500 mennesker hjemløse.

Ammoniakkmetoden i Norge

I Norge hadde Sam Eyde og Kristian Birkeland utviklet en egen måte å utvikle ammoniakk på (se Birkeland-Eyde-metoden), men den var langt mer energikrevende enn Haber-Bosch-prosessen. Norsk Hydro hadde gjennom sitt samarbeid med BASF opsjon på Haber-Bosch-metoden. I 1913 besluttet styret i Hydro å ikke akseptere tilbudet om overdragelse av ammoniakkmetoden fra BASF. Som en del av oppgjøret etter første verdenskrig hadde den franske stat sikret seg Harber-Bosch-prosessen og de ønsket et samarbeid med Norsk Hydro om industriell utnyttelse av prosessen. I 1920 takket Norsk Hydro igjen nei til Haber-prosessen, da de selv sammen med svenskene Helge Bäckström og Ivar Cederberg, forsøkte å utvikle en ny ammoniakkprosess med lavere trykk. Dette mislyktes og forsøksprosjektet ble lagt ned i 1924. I 1927 måtte Norsk Hydro også gå over til Haber-Bosch-prosessen og inngå et samarbeid med kjemigiganten IG Farben. I forbindelse med prosessomleggingen etablerte Norsk Hydros et nytt anlegg på Herøya i 1929 som i løpet av 1930-årene også startet å produserte fullgjødsel etter Oddaprosessen. I 2004 ble den gjødselproduserende delen av Norsk Hydro skilt ut som et eget selskap og børsnotert som Yara International ASA.

Prosessen

Selve Haber-Bosch-prosessen har endret seg lite gjennom årene. Kildene for hydrogenet har gjennomgått forandringer, men i det store og hele er det fremdeles de samme grunnleggende prinsippene som ligger til grunne for prosessen: få tak i rent hydrogen og nitrogen og la dem reagere ved høyt trykk, temperatur og ved hjelp av en katalysator.

Avfallshåndtering

Syntesegassen som kommer inn i syntesekretsløpet, inneholdt som sagt litt argon og metan. Disse gassene inngår ikke i noen reaksjoner videre i kretsløpet, og blir bare med som «blindpassasjerer». Dette blir problematisk etter en stund, ettersom vi hele tiden tilfører ny syntesegass og tapper av ferdig ammoniakk: argon- og metangassen vil rett og slett hope seg opp i systemet, og derfor må man på en eller annen måte fjerne dem fra kretsløpet.
Dette gjøres ved å ta ut deler av lufta ut av sirkulasjonen etter at den har vært i synteseseparatortanken. Ved å balansere får man tatt ut like mye argon og metan som man tilfører gjennom ny, frisk syntesegass, og problemet med opphopning av blindpassasjerstoffer er løst.
Gassen som tas ut av sirkulasjon brukes gjerne til andre foremål, gjerne utvinning av argon og forbrenning av metan. Nitrogenet og hydrogenet som også blir tatt ut kan utvinnes som eget produkt, eller de kan føres tilbake inn i syntesekretsløpet.

Likevekt reaksjonshastighet

Temperaturen er veldig viktig for Haber-Bosch-prosessen. Siden ammoniakksyntesen er en eksoterm reaksjon, og det frigis energi, vil økt temperatur føre til at likevekten forskyver seg mot reaktantenes side per Le Châteliers prinsipp – akkurat det motsatte av det vi ønsker oss. Likevel foregår reaksjonen på ganske høy temperatur. Dette er fordi temperaturen samtidig påvirker reaksjonshastigheten – er temperaturen lav, vil reaksjonshastigheten være tilsvarende lav.
Selv om en lav temperatur er gunstig for likevekten, er det ikke gunstig for ammoniakkproduksjonen som en helhet. Vi kan bedre reaksjonshastigheten på andre måter ved hjelp av trykk og katalysator. Økt trykk medfører både at likevekten forskyver seg mot produktets side og en større reaksjonshastighet, men det er både dyrt og farlig å opprettholde et svært høyt trykk i en slik reaksjon – rørene som frakter gassen må være forsterket, det høye trykket medfører stor slitasje på maskiner, og det er svært energikrevende å komprimere luft på denne måten. Det blir altså mange økonomiske faktorer som må vurderes når man skal bestemme seg for hvor høyt trykk man bør kjøre reaksjonen på.