Процесс Биркеланда – Эйде - Birkeland–Eyde process
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. Полученная азотная кислота затем использовалась в качестве источника нитрата (NO 3 - ) в реакции, которая 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 году на основе метода, использованного Генри Кавендишем в 1784 году. Завод, основанный на этом процессе, был построен в Рьюкане и Нутоддене в Норвегии вместе со зданием. крупных гидроэнергетических объектов.
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 .
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. 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. Процесс чрезвычайно энергоемкий. Биркеланд использовал близлежащую гидроэлектростанцию для производства электроэнергии, так как этот процесс требовал около 15 МВтч на тонну азотной кислоты, что давало примерно 60 г на киловатт-час. Та же реакция осуществляется молнией, обеспечивая естественный источник для преобразования атмосферного азота в растворимые нитраты.
Горячий оксид азота охлаждается и соединяется с кислородом воздуха с образованием диоксида азота . Время, необходимое для этого процесса, зависит от концентрации NO в воздухе. При 1% требуется около 180 секунд, а при 6% около 40 секунд для достижения 90% конверсии.
Затем этот диоксид азота растворяют в воде с образованием азотной кислоты, которую затем очищают и концентрируют фракционной перегонкой .
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.