تحضير الأمونيا في الصنــــاعة ..... " طـــريقة هـــــــــابر - بــــــــوش "

... السلام عليكم ورحمة الله وبركاته ...

في القرن التاسع عشر ميلادي كانت الأمونيا تُستخدم في أملاح النُشادر لإنعاش من يُغمي عليه ...
أما اليوم فهي تعتبر مادة أولية مهمة في صناعة الأسمدة ..

و يتم تحضيرها صناعياً بإتحاد غازي النيتروجين والهيدروجين وفقاً للمعادلة :

و تُصنع الأمونيا في مصانع يصل إنتاج الواحد منها إلى ما يقارب 1000 طن يومياً ... وهذه المصانع تطبق طريقة تسمى طريقة هابر ، والأولى أن تسمى طريقة هابر بوش " Haber- Bosch " ذلك لأن فرانز هابر الألماني نجح في عام 1909م ، وبعد سنوات من البحث ، في إحداث اتحاد بين الهيدروجين والنيتروجين مستخدماً ضغطاً ودرجة حرارة عاليين وحفازاً هو عنصر الأوزميوم ..

وفي ذلك العام اشترت شركة BASF حقوق الإنتاج ، وقام أحد مهندسيها الكبار وهو كارل بوش بإجراء المزيد من البحث ، وتوصل مع فريقه في أعوام قليلة إلى بناء المعدات القادرة على تحمل الضغط الشديد ، وإلى حفاز آخر بدلاً من الأوزميوم ذي التكلفة العالية .. فقد وجدوا أن مسحوق الحديد المحتوي على أكاسيد البوتاسيوم والكالسيوم والألومينيوم يصلح للإسراع بالتفاعل ، وما يزال هذا الحفاز مستخدماً حتى الآن .. وقد كان الهدف الأساسي تحويل الأمونيا إلى حمض النيتريك لإنتاج المتفجرات للإستخدام الحربي بعد أن حال الحصار بين ألمانيا ومصادر النيترات في تشيلي ..
وقد منح هابر جائزة نوبل عام 1913 م ، كما شارك بوش في الجائزة عام 1931م ...

... جهاز هابر الحقيقي ...

مــــراحل تصنيــــــــــــع الأمـــونيـــــــــا

الإصلاح البخــاري :

مصدر الهيدروجين اللازم للعملية هو النفثا " هيدروكربونات C9 – C5 " أو الغاز الطبيعي " CH4 " .
ولكن أولاً يجب أن يتم إزالة الكبريت إذا كان موجوداً لأنه يسمم الحفاز .

وتجري العملية في مرحلتين " أولية وثانوية : عند ضغط 30 جوي ، في وجود حفاز النيكل ، وفي المرحلة الثانية يدخل الهواء ، لذلك تحتوي الغازات الخارجة على CO2 , H2 , N2 وتكون درجة حراراتها حواي 1000? م .

تفاعل الإزاحة :

إن وجود أكاسيد الكربون يسمم الحفاز لذا يجب أن تزال . وهذا يتم على مرحلتين يستخدم في أولاهما الحفاز Fe3O4 ، وفي الثانية حفاز يحتوي على نحاس وخارصين .

امتصاص ثاني أكسيد الكربون :

يمتص CO2 بغسل الغازات بمحلول ساخن ( 100درجة س ) من كربونات البوتاسيوم في الماء .

وبعد ذلك يعكس هذا الإتزان بطرد بخار الماء ، ويجمع CO2 كناتج جانبي للعملية ، بينما يعاد محلول الكربونات إلى الاستخدام ..

تحويل بقايا أكاسيد الكربون إلى ميثان :

مخلوط الغازات الناتج من المرحلة السابقة يحتوي على H2 , N2 وقليل من الغازات الخاملة وبقية من CO و CO2 . ومن الضروري أن يخفض تركيز كل المركبات المحتوية على أكسجين ... ويتم ذلك بحفز النيكل وعند 320 درجة س ..

ولإزالة CO2 وما يتبقى من CO ، يمرر مخلوط من الغازات في سائل مناسب يسترجع منه CO2 في مرحلة تالية ، ليعود ليؤدي دوره في عملية الغسل .. ومن السوائل المناسبة لذلك محلول مائي لكربونات البوتاسيوم .

ويكفي لإعادة تنشيط المحلول أن يخفف عنه الضغط ..
كذلك يستخدم إيثانول أمين H2NCH2CH2OH الذي يتفاعل مع CO2 على النحو التالي ..

وتجري عملية الامتصاص عند درجة حرارة 40 - 45 .. بعد ذلك تسخن الكربونات والبيكربونات الناتجة عند درجة حرارة 120 فينطلق منها CO2 الذي يجمع ويستفاد منه ، أما إيثانول أمين فيعاد للدورة من جديد ..

وحتى بعد خروج الغاز من أي من عمليتي الغسل هاتين ، فهو ما يزال يحتوي على آثار من كل أكسيد الكربون .. وحيث أن كلا منهما سام للحفاز يتوجب أن تجري عملية معالجة نهائية تنزل بتركيزهما إلى حد منخفض جداً .. وفي معظم المصانع الحديثة يتم ذلك بتحويلهما إلى ميثان عند التسخين فوق حفاز يحتوي على النيكل عند حوالي 350 درجة ..

وتعتبر هذه العملية هي عكس عملية الإصلاح التي تتم عند درجات حرارة أعلى ، لذلك فإن الإتزان يميل نحو اليسار في التفاعل الممثل لعملية الإصلاح عند الدرجات العالية ، لكنه يميل نحو الجانب الأيمن في الإتزانات السابقة .. ولا ضرر من كمية الميثان المتبقية في الغاز، فهي لا تتدخل في التفاعل مع النيتروجين ...

ويفصل بخار الماء من المخلوط قبل أن يضغط إلى حوالي 250 جوي ويسخن إلى 400 قبل إدخاله إلى مفاعل إنتاج الأمونيا ...

التحول إلى الأمونيــا :

مفاعل إنتاج الأمونيا هو أسطوانة من الفولاذ الخاص قادر على الصمود للضغوط العالية ولدرجات الحرارة العالية ، وكذلك يقاوم التأثر بالغازات التي تمر فيه .. وطوله عادةً حوالي 30 متراً وقطره حوالي 25 متر . ويحتوي على حوالي 180 طن من الحفاز ، وهو الحديد المسحوق الذي أضيفت إليه كميات قليلو من الألومينا Al2O3 وأكاسيد الكالسيوم والبوتاسيوم وبعض السيليكا .. ومدة عمل الحفاز بين 4 و 5 سنوات . وتمر الغازات الساخنة الخارجة من وعاء التفاعل في مبادل حراري ، ثم تبرد إلى - 50 فتتحول الأمونيا إلى سائل " درجة غليانه -33 " يتجمع في أوعية خاصة ، بينما يعاد النيتروجين والهيدروجين الزائدان إلى دورة التفاعل بالإختلاط مع الغازات الداخلة ...

ودرجة الحرارة التي تسود داخل المفاعل هي 300 - 320 " أنسب درجة حرارة للتفاعل هي 420 " وأما الضغط فهو 250 إلى 300 جوي .. ومثل المفاعل المذكور ينتج حوالي 1400 طن من الأمونيا في اليوم ..

والمنحنى التالي يوضح أثر درجة الحرارة والضغط على كمية النُشادر المتكونة ...

» تحضير حمض الهيدروكلوريك في المختبر
» تجربة تحضير الأكسجين فى المعمل
» تحضير الأكسجين في المنزل والكشف عنه