กระบวนการฮาเบอร์

กระบวนการฮาเบอร์ หรือเรียกว่า กระบวนการฮาเบอร์-บ็อช เป็นปฏิกิริยาการตรึงไนโตรเจนของแก๊สไนโตรเจนและแก๊สไฮโดรเจน เหนือเหล็กเสริมสมรรถนะหรือตัวเร่งปฏิกิริยารูทีเนียม ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ผลิตแอมโมเนีย กระบวนการฮาเบอร์มีความสำคัญเนื่องจากแอมโมเนียยากที่จะผลิตได้ในระดับอุตสาหกรรม และปุ๋ยซึ่งได้จากแอมโมเนียได้ผลิตอาหารเลี้ยงประชากรโลกกว่าหนึ่งในสาม แม้ข้อเท็จจริงที่ว่า 78.1% ของอากาศเป็นไนโตรเจนก็ตาม แต่ไนโตรเจนค่อนข้างเฉื่อยต่อปฏิกิริยา เนื่องจากโมเลกุลไนโตรเจนถูกยึดไว้ด้วยพันธะสามอันแข็งแรง จนกระทั่งคริสต์ศตวรรษที่ 20 วิธีการดังกล่าวจึงได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์จากไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศเพื่อผลิตแอมโมเนีย ซึ่งสามารถถูกออกซิไดซ์ได้ในภายหลังเพื่อผลิตไนเตรตและไนไตรต์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการผลิตปุ๋ยไนเตรตและระเบิด

กระบวนการ

แหล่งไฮโดรเจนหลักที่ต้องใช้สำหรับกระบวนการฮาเบอร์-บ็อช คือ มีเทนจากแก๊สธรรมชาติ ซึ่งได้มาผ่านกระบวนการการเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ ทำให้พลังงานภายนอกที่ต้องใช้น้อยกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในกระบวนการดั้งเดิม คือ การอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ ของบ็อชใน BASF มาก นอกจากนี้ ในบางประเทศอาจมีการใช้ถ่านหินเป็นแหล่งไฮโดรเจนผ่านกระบวนการที่เรียกว่า การแปรสภาพเป็นแก๊ส อย่างไรก็ตาม แหล่งไฮโดรเจนที่แตกต่างกันไม่มีผลต่อกระบวนการฮาเบอร์-บ็อช ซึ่งสนใจแต่เพียงการสังเคราะห์แอมโมเนียจากไนโตรเจนและไฮโดรเจน

การเตรียมแก๊สสังเคราะห์

ขั้นแรก มีเทนจะได้รับการทำความสะอาด ส่วนใหญ่เพื่อกำจัดซัลเฟอร์ที่เจือปนอยู่ออกไป เพื่อมิให้เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยา

มีเทนสะอาดจะทำปฏิกิริยากับไอน้ำเหนือตัวเร่งปฏิกิริยา นิกเกิลออกไซด์ ซึ่งกระบวนการดังกล่าวเรียกว่า กระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเขียนได้ดังสมการ

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

การรีฟอร์มมิงครั้งที่สองเกิดขึ้นพร้อมกับการเพิ่มอากาศเข้าไปในสารตั้งต้นเพื่อเปลี่ยนมีเทนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาระหว่างกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเขียนได้ดังสมการ

2 CH₄ + O₂ → 2 CO + 4 H₂

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

จากนั้น ปฏิกิริยาเปลี่ยนน้ำเป็นแก๊ส ได้ผลิตภัณฑ์ออกมาเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ

CO + H₂O → CO₂ + H₂

แก๊สผสมในขณะนี้จะถูกผ่านเข้าไปในเมธานาเตอร์ ซึ่งจะเปลี่ยนคาร์บอนมอนออกไซด์ที่เหลืออยู่ส่วนใหญ่ให้กลายเป็นมีเทนเพื่อที่จะนำไปเข้าปฏิกิริยาใหม่ตั้งแต่ต้น:

CO + 3 H₂ → CH₄ + H₂O

ขั้นตอนสุดท้ายนี้มีความจำเป็นเนื่องจากคาร์บอนมอนออกไซด์เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยา และยังเป็นปฏิกิริยาย้อนกลับของกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ ปฏิกิริยาทั้งหมดที่เกิดขึ้นได้เปลี่ยนมีเทนและไอน้ำเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ำและไฮโดรเจน

การสังเคราะห์แอมโมเนีย

ขั้นตอนสุดท้าย ซึ่งเป็นกระบวนการฮาเบอร์ที่แท้จริง เป็นการสังเคราะห์แอมโมเนียโดยใช้รูปของแมกเนไทท์ เหล็กออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา:

N₂ (g) + 3 H₂ (g) ⇌ 2 NH₃ (g) (ΔH = −92.22 kJ·mol⁻¹)

ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นภายใต้ความดัน 15-25 เมกะปาสคาล (150-250 บาร์) ที่อุณหภูมิระหว่าง 300-550 °C โดยการผ่านแก๊สเข้าไปเหนือชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา พร้อมกับให้ความเย็นเข้าไปในแต่ละชั้นเพื่อรักษาค่าคงที่สมดุลให้มีความเหมาะสม ในแต่ละชั้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสารตั้งต้นไปเป็นแอมโมเนียเพียง 15% แต่แก๊สที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาทั้งหมดจะสามารถนำกลับไปเริ่มต้นปฏิกิริยาใหม่ได้ ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดจึงเกิดขึ้นราว 98% ของจำนวนสารตั้งต้น

กระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ ชิฟต์คอนเวอร์ชัน การกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ และกระบวนการผลิตมีเทนจะเกิดขึ้นภายใต้ความดันสัมบูรณ์ราว 2.5-3.5 เมกะปาสคาล (25-35 บาร์) และการวนซ้ำของกระบวนการสังเคราะห์แอมโมเนียจะเกิดขึ้นภายใต้ความดันสัมบูรณ์ระหว่าง 6-18 เมกะปาสคาล (60-180 บาร์) ขึ้นอยู่กับการออกแบบของเจ้าของ

อ้างอิง

1. Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production by Vaclav Smil (2001) ISBN 0-262-19449-X
2. Hager, Thomas (2008). The Alchemy of Air. Harmony Books, New York. ISBN 9780307351784.
3. Fertilizer Industry: Processes, Pollution Control and Energy Conservation by Marshall Sittig (1979) Noyes Data Corp., N.J. ISBN 0-8155-0734-8
4. "Heterogeneous Catalysts: A study Guide"
5. Wolfe, David W. (2001). Tales from the underground a natural history of subterranean life. Cambridge, Mass: Perseus Pub. ISBN 0738201286. OCLC 46984480.
6. "Methanator".