Haber-processen, på vissa håll även känd som Haber-Borsch-processen, är en vetenskaplig metod genom vilken ammoniak skapas från kväve och väte. Järn fungerar som en katalysator, och framgången för processen beror till stor del på ideal temperatur och tryck; för det mesta sker det i en sluten kammare där förhållandena kan kontrolleras noggrant. Processen är mycket viktig för en rad olika branscher, och har sparat otaliga timmar för tillverkare som annars skulle ha behövt skapa ammoniak på andra, vanligtvis mycket mer mödosamma, sätt. Det är lite komplicerat att köra men när det görs på rätt sätt får det i allmänhet mycket pålitliga resultat.
Hur processen utvecklades
Denna process utvecklades av den tyske kemisten Fritz Haber 1909 och utökades senare till industriell skala av en annan tysk, Carl Bosch. Båda männen tilldelades Nobelpriset 1918 för att ha övervunnit de tekniska hinder som är involverade i användningen av högtrycksteknik i industriell skala. Innan metoden utvecklades var ammoniak relativt svår att extrahera och som ett resultat tenderade det att bli ganska dyrt. Att hitta ett sätt att snabbare syntetisera det gjorde det både mer tillgängligt och billigare. Processen banade också väg för mer kontrollerade miljöexperiment och kemiska reduktioner.
Så fungerar det
I de flesta fall finns det tre viktiga element som krävs för att skapa ammoniak: väte, kväve och någon form av katalysator. Även om osmium och uran ursprungligen användes som katalysatorer, ersattes de senare av järn, eftersom det är ett mycket billigare alternativ och tenderar att fungera lika bra. En kontrollerad miljö är också väldigt viktigt. I allmänhet syntetiseras ammoniak genom att kamma en volym kväve med tre volymer väte i närvaro av poröst järn som katalysator. Haber-processen utför denna reaktion under en optimal temperatur på 1022°F (550°C) respektive ett tryck på 2175 till 3626 psi (15 till 25 MPa).
Vätet för reaktionen erhålls i allmänhet genom att omsätta metan eller naturgas med ånga i närvaro av nickeloxid som katalysator. Elementet får sedan passera över bäddar av järnoxid tillsammans med kvävgas från atmosfären. Eftersom reaktionen är mycket långsam under rumstemperatur, höjs temperaturen för att påskynda processen. Denna reaktion är exoterm, vilket innebär att den frigör värme, så en ökning av temperaturen kommer bara att gynna den omvända reaktionen och tenderar att leda till ytterligare reduktion av produkten.
Detta är i enlighet med Le Chatliers princip, som säger att varje förändring i koncentration, temperatur, volym eller partialtryck till ett system i jämvikt kommer att få jämvikten att förskjutas för att motverka den påtvingade förändringen. I enklare termer, om temperaturen på reaktionen höjs för att påskynda produktionen av ammoniak, kommer det att leda till en ytterligare nedbrytning av den producerade ammoniaken till kväve och väte. Eftersom katalysatorn endast kan fungera effektivt runt 752°F (400°C), måste temperaturen hållas mellan 752° och 1022°F (300° och 550°C).
Betydelsen av tryck
Haber-processen tenderar att fungera mest effektivt i miljöer med mycket högt tryck. Detta ökar bildningen av ammoniak och förbättrar retentionshastigheterna för slutprodukten. Även under idealiska förhållanden erhålls dock endast cirka 15 % ammoniak i varje passage. Genom upprepad återvinning av den oreagerade gasen är det möjligt att få en återvinning på nästan 98 %. Att hålla den oreagerade produkten tillgänglig för återvinning är dock där det kan bli knepigt. Utanför en högt pressad miljö är det nästan omöjligt.
Varför det gäller
Många industrier och tillverkningsprojekt har haft stor nytta av effektiviteten och effektiviteten i denna process. Ammoniak är mycket viktigt för en rad olika saker — det är vanligt i huset som rengöringsprodukt, men är också väsentligt för tillverkning av kvävehaltiga gödselmedel och de flesta former av ammunition. Processen används vid tillverkning av nästan 100 miljoner ton gödselmedel varje år och är också av avgörande betydelse för de flesta militärer och försvarsentreprenörer runt om i världen.