Процесс Биркеланда -Эйда был одним из конкурирующих промышленных процессов на заре производства азотных удобрений . Это многоступенчатая реакция фиксации азота , в которой используются электрические дуги для реакции атмосферного азота (N 2 ) с кислородом (O 2 ), в конечном итоге образуя азотную кислоту (HNO 3 ) с водой. [1] Полученную азотную кислоту затем использовали в качестве источника нитрата (NO 3 - ) в реакции , которая может проходить в присутствии воды или другого акцептора протонов .
Он был разработан норвежским промышленником и ученым Кристианом Биркеландом вместе со своим деловым партнером Сэмом Эйдом в 1903 году [2] на основе метода, использованного Генри Кавендишем в 1784 году. [3] [4] Завод, основанный на этом процессе, был построен в Рьюкане. и Нотодден в Норвегии, в сочетании со строительством крупных гидроэлектростанций . [5] [6]
Процесс Биркеланда-Эйда относительно неэффективен с точки зрения энергопотребления. Поэтому в 1910-х и 1920-х годах в Норвегии его постепенно заменила комбинация 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 в результате паровой конверсии метана (CH 4 ) в современной практике. Аммиак, полученный в процессе Габера, затем преобразуется в азотную кислоту (HNO 3 ) в процессе Оствальда . [7]
Электрическая дуга формировалась между двумя коаксиальными водоохлаждаемыми медными трубчатыми электродами, питаемыми переменным током высокого напряжения напряжением 5 кВ и частотой 50 Гц. Сильное статическое магнитное поле, создаваемое соседним электромагнитом, распространяет дугу на тонкий диск под действием силы Лоренца . Эта установка основана на эксперименте Юлиуса Плюкера , который в 1861 году показал, как создать диск искр, разместив концы U-образного электромагнита вокруг искрового промежутка так, чтобы зазор между ними был перпендикулярен зазору между электродами. и который позже был аналогичным образом воспроизведен Вальтером Нернстом и другими. [8] [9] Температура плазмы в диске превышала 3000 °C. Через эту дугу продували воздух, в результате чего часть азота вступала в реакцию с кислородом, образуя оксид азота . Тщательно контролируя энергию дуги и скорость воздушного потока, были получены выходы оксида азота примерно до 4–5% при 3000 ° C и менее при более низких температурах. [10] [11] Процесс чрезвычайно энергоемкий. Биркеланд использовал близлежащую гидроэлектростанцию для производства электроэнергии, поскольку для этого процесса требовалось около 15 МВтч на тонну азотной кислоты, что давало примерно 60 г на кВтч. Ту же реакцию осуществляет молния, являющаяся естественным источником преобразования атмосферного азота в растворимые нитраты. [12]
Горячий оксид азота охлаждается и соединяется с кислородом воздуха с образованием диоксида азота . Время, которое занимает этот процесс, зависит от концентрации NO в воздухе. При 1% для достижения 90% конверсии требуется около 180 секунд, а при 6% — около 40 секунд. [13]
Этот диоксид азота затем растворяют в воде с образованием азотной кислоты, которую затем очищают и концентрируют путем фракционной перегонки . [14]
Проектирование процесса поглощения имело решающее значение для эффективности всей системы. Диоксид азота абсорбировался водой в серии абсорбционных башен насадочной или тарельчатой колонны высотой в четыре этажа, каждая с получением примерно 40–50% азотной кислоты. Первые башни барботировали диоксид азота через воду и нереактивные фрагменты кварца. Как только первая башня достигла окончательной концентрации, азотную кислоту перенесли в гранитный контейнер для хранения, а на ее место заменила жидкость из следующей водонапорной башни. Этот процесс движения продолжался до последней водонапорной башни, которая была пополнена пресной водой. Около 20% образовавшихся оксидов азота остались непрореагировавшими, поэтому последние башни содержали щелочной раствор извести для преобразования оставшихся оксидов в нитрат кальция (также известный как норвежская селитра), за исключением примерно 2%, которые выбрасывались в воздух. [15]