Haber–Bosch-menetelmä

Haber–Bosch-menetelmä on nykyaikainen ja taloudellinen ammoniakin valmistusmenetelmä, jonka kehittivät saksalaiset tiedemiehet Fritz Haber ja Carl Bosch vuonna 1909.

Haber–Bosch-menetelmä syrjäytti täysin aikaisemmin ammoniakin tuotannossa käytetyt valokaari- ja syanidimenetelmät.

Ammoniakki 

Ammoniakki on yksinkertainen typen ja vedyn yhdiste: NH3, jossa on yksi osa typpeä ja kolme osaa vetyä. Ammoniakki valmistetaan näistä kaasuista samassa annostelusuhteessa: kolme osaa puhdasta vetyä ja yksi osa puhdasta typpeä. Ammoniakkia käytetään mm. lannoitteiden valmistukseen. 

Synteesiin tulevien kaasujen on oltava puhtaita epäpuhtauksista. Näiden kahden kaasun optimaalista seosta kutsutaan synteesikaasuksi.

Reaktioseoksen valmistus

Vedyn valmistus

Aikaisemmin puhtaan vedyn valmistukseen käytettiin veden hajottamista vedyksi ja hapeksi elektrolyysissä, mutta tämä menetelmä poistui aikanaan käytöstä taloudellisempien menetelmien tieltä.

Vetyä valmistetaan hajottamalla maakaasua (pääosin metaania CH4) vesihöyryllä höyryreformointiprosessissa, joka on taloudellisesti edullinen menetelmä (vrt. elektrolyysi). Reaktio yksinkertaistettuna:

CH4 + H2O → CO + 3H2

Maakaasun on oltava hyvin puhdasta, se saa sisältää vain hyvin pieniä määriä epäpuhtauksia, jotta reformoinnista saadaan riittävän puhdasta vetyä.

Höyryreformointi tapahtuu johtamalla reaktiosäiliöön kuumaa vesihöyryä ja metaania jotka puristetaan 4–5 MPa paineeseen (40–50 kertaa ilmakehän paine) ja kuumentamalla 1 200 K:n lämpötilaan. Käsittelyn jälkeen kaasu johdetaan kokonaisuudessaan katalyytin läpi jäähtyneenä puoleen prosessin lämpötilasta, lopputuloksena hiilimonoksidia CO ja vetyä H2.

Typen lisääminen

Reformointiseokseen lisätään hallitusti ilmaa (78 % N2, 21 % O2). Edellisestä prosessista yli jäänyt metaani poltetaan hapella (typpi ei reagoi):

CH4 + (0,5)O2 + 2N2 → CO + 2H2O + 2N2

CO:n hapetus ja haitta-aineiden poisto
Edellisistä prosesseista syntynyt häkä hapetetaan hiilidioksidiksi vesihöyryssä, ja muodostetaan lisää tarpeellista vetyä:

CO + H2O → CO2 + H2

Tarpeettomat aineet on poistettava kaasuseoksesta ennen seoksen johtamista katalyyttiin. Happamat kaasukomponentit (pääosin hiilidioksidi, mutta myös rikkivety, rikkihiili) absorboituvat erityiseen liuottimeen. Teollisessa prosessissa on tärkeää liuottimen kierrätettävyys: Kun liuos tulee absorptiokolonnista, se elvytetään alentamalla painetta, lämmittämällä sekä desorptioimalla strippauskolonnissa, ja pumpataan takaisin absorptiokolonniin. Käytetyimpiä liuottimia ovat tertiääriset amiinit (esim. trietanoliamiini, metyylidietanoliamiini), joita edelleen parannellaan lisäaineilla. Valmiina seoksena voidaan käyttää esim. Amisolia, joka on metanolia, DEA:a ja vettä.

Reaktioseokseen saattaa edelleen jäädä pieniä määriä ilmakehän ilman mukana tulleita jalokaasuja jotka eivät inertteinä alkuaineina ole haitallisia synteesissä.

Ammoniakkisynteesi

Puhdistettun typpi-vetykaasun seossuhde säädetään tarkoin oikeaksi ja kaasuseos johdetaan suurpainekompressoreihin jotka puristavat sen n. 30 megapascalin paineeseen (300-kertainen ilmakehän paine). Tekniikassa paineet vaihtelevat 20–100 Mpa välillä prosessivariaatiosta riippuen. Kompressoreista kaasuseos johdetaan ammoniakkikontaktiuuneihin, joiden sisällä suuressa paineessa tapahtuu varsinainen ammoniakkisynteesi, jossa typpi ja vety reagoivat keskenään ja muodostavat ammoniakkia. Vedyn kestävästä erikoisteräksestä valmistetuissa kontaktiuuneissa on katalyyttinä tyypillisesti puhdas rauta. Prosessi tapahtuu tyypillisesti n. 400–500 °C:n lämpötilassa. Prosessissa vapautuu lämpöä ja kontaktiuuneissa on laitteet suurpainehöyryn tuottamiseksi, uunia samalla jäähdyttäen.

Synteesiuunin jälkeen kaasuseos sisältää noin 20 % ammoniakkia joka tiivistetään nesteeksi jäähdyttämällä koko puristuksessa ollut kaasuseos, jolloin suurpaineinen ammoniakki nesteytyy varsin helposti ja voidaan kerätä talteen.

Jäljelle jäänyt reagoimaton kaasu johdetaan takaisin synteesiuuniin.

Synteesikaasu sisältää myös inerttejä, reagoimattomia jalokaasuja kuten argonia ja xenonia, ja n. 2 % kaasusta ohjataan polttouuniin näiden jalokaasujen ja muiden epäpuhtauksien poistamiseksi. Poltossa poistuu vety- ja ammoniakkijäämät, poltetut kaasut voidaan laskea ilmakehään tai kerätä talteen jalokaasujen erottelemiseksi.

Ammoniakin saanto on lämpötilasta ja paineesta riippuvainen. Suuri paine on eduksi, samoin matala lämpötila. Matala lämpötila toisaalta taas hidastaa prosessia merkittävästi. Tämän takia tekniikassa käytetään suhteellisen korkeita lämpötiloja, jotta reaktionopeus saadaan riittävän suureksi, vaikka ammoniakkipitoisuus jääkin matalaksi per kontaktiuunikierros.  Vähitellen monen kontaktiuunikierroksen jälkeen liki kaikki kaasut muuttuvat ammoniakiksi.

Ympäristövaikutukset 
Haber–Bosch-menetelmä aiheuttaa hiilidioksidipäästöjä enemmän kuin mikään muu kemianteollisuuden käyttämä prosessi, yli 450 miljoonaa tonnia vuodessa. Tämä on noin yksi prosentti kaikista ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä.

Lähteet 
 Tietokeskus Spectrum, osa 2, 1976. ISBN 951-0-08297-X

Viitteet

Aiheesta muualla 

1900-luvun tärkein keksintö

Kemialliset prosessit
Kemialliset reaktiot