Процесс Биркеланда – Эйде - Birkeland–Eyde process

Реактор, использовавшийся в Рьюкане с 1916 по 1940 год, мощностью 3000 кВт (снаружи Норвежский музей науки и техники ).

В Процесс Биркеланда – Эйде был одним из конкурирующих промышленных процессов в начале азотные удобрения производство.[1] Его разработал норвежский промышленник и ученый. Кристиан Биркеланд вместе со своим деловым партнером Сэм Эйд в 1903 г.,[2] на основе метода, используемого Генри Кавендиш в 1784 г.[3] Этот процесс использовался для исправления атмосферных азот (N2) в азотная кислота (HNO3), один из нескольких химических процессов, обычно называемых азотфиксация. Полученная азотная кислота затем использовалась в качестве источника нитрат (НЕТ3−) в реакции

которые могут иметь место в присутствии воды или другого акцептор протонов.

Завод, основанный на этом процессе, был построен в Рьюкан и Notodden в Норвегии, в сочетании со строительством большого гидроэлектростанция удобства.[4][5]

Процесс Биркеланда – Эйде относительно неэффективен с точки зрения потребления энергии. Поэтому в 1910-х и 1920-х годах в Норвегии его постепенно заменили комбинацией Процесс Габера и Оствальдский процесс. В процессе Габера образуется аммиак (NH3) из молекулярного азота (N2) и водород (H2), последний обычно, но не обязательно, производится паровой конверсией метана (CH4) газ в современной практике. Аммиак из процесса Габера затем превращается в азотная кислота (HNO3) в Оствальдский процесс.[6]

Процесс

Схема изготовления плазменного диска с использованием водоохлаждаемых электродов и электромагнита
Один из типов реакторов, который использовался в Рьюкане с 1912 по 1940 год, сейчас расположен в парке в Рьюкане.
Второй реакторный корпус за Сахаймская гидроэлектростанция в котором было установлено 35 реакторов Биркеланд-Эйде мощностью 3000 кВт каждый

An электрическая дуга был сформирован между двумя коаксиальными электродами из медной трубки с водяным охлаждением, питаемыми от высокое напряжение переменный ток 5 кВ при 50 Гц. Сильное статическое магнитное поле, создаваемое ближайшим электромагнит распределяет дугу на тонкий диск Сила Лоренца. Эта установка основана на эксперименте, проведенном Юлиус Плюкер 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 Вальтер Нернст и другие.[7] Температура плазмы в диске превышала 3000 ° C. Через эту дугу продувался воздух, в результате чего часть азота вступала в реакцию с кислородом, образуя оксид азота. Путем тщательного управления энергией дуги и скоростью воздушного потока был достигнут выход примерно до 4-5% оксида азота при 3000 ° C и ниже при более низких температурах.[8][9] Процесс чрезвычайно энергоемкий. Birkeland использовал близлежащую гидроэлектростанцию ​​для производства электроэнергии, поскольку этот процесс требовал около 15 МВтч на тонну азотной кислоты, что давало примерно 60 г на кВтч. Та же реакция осуществляется молнией, являясь естественным источником преобразования атмосферного азота в растворимые нитраты.[10]

Горячий оксид азота охлаждается и соединяется с кислородом воздуха с образованием диоксид азота. Время, которое занимает этот процесс, зависит от концентрации NO в воздухе. При 1% требуется около 180 секунд, а при 6% около 40 секунд для достижения 90% конверсии.[11]

Затем этот диоксид азота растворяют в воде с образованием азотной кислоты, которую затем очищают и концентрируют путем фракционная перегонка.[12]

Дизайн процесса абсорбции имел решающее значение для эффективности всей системы. Диоксид азота абсорбировался водой в серии насадочная колонна или же пластина колонна абсорбционные башни высотой четыре этажа производят приблизительно 40-50% азотной кислоты. Первые башни барботировали диоксид азота через воду и инертные фрагменты кварца. После того, как первая башня достигла конечной концентрации, азотная кислота была перенесена в емкость для хранения гранита, и жидкость из следующей водонапорной башни заменить его. Этот процесс движения продолжался до последней водонапорной башни, который был пополнен с пресной водой. Около 20% образовавшихся оксидов азота остались непрореагировавшими, поэтому последние колонны содержали щелочной раствор Лайм преобразовать оставшееся в нитрат кальция (также известная как норвежская селитра), за исключением примерно 2%, которые были выброшены в воздух.[13]

Рекомендации

  1. ^ Remsen, I .; Ренуп, Х. (1906). «Окисление атмосферного азота применительно к производству нитратов и азотной кислоты» (PDF). Американский химический журнал. 35: 358–367. Получено 1 февраля 2019.
  2. ^ Эйде, Сэм (1909). «Производство нитратов из атмосферы с помощью электрической дуги - процесс Биркеланда-Эйда». Журнал Королевского общества искусств. 57 (2949): 568–576. JSTOR  41338647.
  3. ^ Аарон Джон Идэ (1984). Развитие современной химии. Courier Dover Publications. п. 678. ISBN  0-486-64235-6.
  4. ^ Дж. Дж. Ли (2004). Лучшее в мире решение: история азота и сельского хозяйства. Oxford University Press, США. стр.134–139. ISBN  0-19-516582-9.
  5. ^ Birkeland, Kr. (1906). «Об окислении атмосферного азота в электрических дугах».. Труды общества Фарадея. 2 (Декабрь): 98. Дои:10.1039 / tf9060200098. ISSN  0014-7672.
  6. ^ Тревор Илтид Уильямс; Томас Кингстон Дерри (1982). Краткая история технологий двадцатого века c. 1900-с. 1950. Издательство Оксфордского университета. С. 134–135. ISBN  0-19-858159-9.
  7. ^ Уорден, Эдвард Чонси (1921). Технология эфиров целлюлозы. 1:2. Компания Д. Ван Ностранд. п.870.
  8. ^ Меллор, Дж. У. (1918). Современная неорганическая химия. Longmans, Green and Co. стр.509.
  9. ^ Мартин, Джеффри; Барбур, Уильям (1915). Промышленные азотные соединения и взрывчатые вещества. Кросби Локвуд и сын. п.21.
  10. ^ Карл Фишер; Уильям Э. Ньютон (2002). Дж. Дж. Ли (ред.). Фиксация азота в тысячелетии. Эльзевир. С. 2–3. ISBN  0-444-50965-8.
  11. ^ Уэбб, Х. У. (1923). Поглощение азотных газов. Эдвард Арнольд и компания стр.20.
  12. ^ Дуглас Эрвин (2002). Проектирование промышленных химических процессов. Макгроу-Хилл. п. 613. ISBN  0-07-137621-6.
  13. ^ Нокс, Джозеф (1914). Фиксация атмосферного азота. Компания Д. Ван Ностранд. стр.45 -50.