Процесс Биркеланда–Эйде был одним из конкурирующих промышленных процессов в начале производства азотных удобрений . Это многоступенчатая реакция фиксации азота , которая использует электрические дуги для реакции атмосферного азота (N 2 ) с кислородом (O 2 ), в конечном итоге производя азотную кислоту (HNO 3 ) с водой. [1] Полученная азотная кислота затем использовалась в качестве источника нитрата (NO 3 − ) в реакции , которая может иметь место 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 [2] на основе метода, использованного Генри Кавендишем в 1784 году. [3] [4] Завод, работающий на основе этого процесса, был построен в Рьюкане и Нутоддене в Норвегии, а также были построены крупные гидроэлектростанции . [5] [6]
Процесс Биркеланда–Эйде относительно неэффективен с точки зрения потребления энергии. Поэтому в 1910-х и 1920-х годах он был постепенно заменен в Норвегии комбинацией процесса Габера и процесса Оствальда . Процесс Габера производит аммиак (NH 3 ) из молекулярного азота (N 2 ) и водорода (H 2 ), последний обычно, но не обязательно, производится путем паровой конверсии метана (CH 4 ) в современной практике. Затем аммиак из процесса Габера преобразуется в азотную кислоту (HNO 3 ) в процессе Оствальда . [7]
Электрическая дуга была образована между двумя коаксиальными водоохлаждаемыми медными трубчатыми электродами, питаемыми переменным током высокого напряжения 5 кВ при 50 Гц. Сильное статическое магнитное поле, создаваемое близлежащим электромагнитом, распространяет дугу в тонкий диск силой Лоренца . Эта установка основана на эксперименте Юлиуса Плюккера , который в 1861 году показал, как создать диск искр, поместив концы U-образного электромагнита вокруг искрового промежутка так, чтобы зазор между ними был перпендикулярен зазору между электродами, и который позже был воспроизведен аналогичным образом Вальтером Нернстом и другими. [8] [9] Температура плазмы в диске превышала 3000 °C. Воздух продувался через эту дугу, заставляя часть азота реагировать с кислородом, образуя оксид азота . Тщательно контролируя энергию дуги и скорость воздушного потока, удалось получить выход приблизительно до 4–5% оксида азота при 3000 °C и менее при более низких температурах. [10] [11] Процесс чрезвычайно энергоемкий. Биркеланд использовал близлежащую гидроэлектростанцию для получения электроэнергии, поскольку этот процесс требовал около 15 МВт·ч на тонну азотной кислоты, давая приблизительно 60 г на кВт·ч. Та же реакция осуществляется молнией, обеспечивая естественный источник для преобразования атмосферного азота в растворимые нитраты. [12]
Горячий оксид азота охлаждается и соединяется с атмосферным кислородом, образуя диоксид азота . Время, необходимое для этого процесса, зависит от концентрации NO в воздухе. При 1% требуется около 180 секунд, а при 6% около 40 секунд, чтобы достичь 90% конверсии. [13]
Затем этот диоксид азота растворяется в воде, образуя азотную кислоту, которую затем очищают и концентрируют путем фракционной перегонки . [14]
Проектирование процесса абсорбции имело решающее значение для эффективности всей системы. Диоксид азота поглощался водой в серии колонных или тарельчатых колонных абсорбционных башен высотой в четыре этажа каждая, чтобы производить приблизительно 40–50% азотной кислоты. Первые башни пропускали диоксид азота через воду и нереакционноспособные кварцевые фрагменты. Как только первая башня достигала конечной концентрации, азотная кислота перемещалась в гранитный контейнер для хранения, а жидкость из следующей водонапорной башни заменяла ее. Этот процесс перемещения продолжался до последней водонапорной башни, которая пополнялась свежей водой. Около 20% произведенных оксидов азота оставались непрореагировавшими, поэтому последние башни содержали щелочной раствор извести для преобразования оставшихся оксидов в нитрат кальция (также известный как норвежская селитра), за исключением приблизительно 2%, которые выбрасывались в воздух. [15]
