stringtranslate.com

Процесс Биркеланда – Эйда

Реактор мощностью 3000 кВт, использовавшийся в Рьюкане с 1916 по 1940 год (возле Норвежского музея науки и технологий )

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]

Процесс

Схема изготовления плазменного диска с использованием водоохлаждаемых электродов и электромагнита
Один тип реактора, использовавшийся в Рьюкане с 1912 по 1940 год, теперь находится в парке в Рьюкане.
Реакторный корпус II за гидроэлектростанцией Сохайм , в котором было установлено 35 реакторов Биркеланд-Эйде мощностью по 3000 кВт каждый.

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]

Рекомендации

  1. ^ Ремсен, И.; Ренуп, Х. (1906). «Окисление атмосферного азота применительно к производству нитратов и азотной кислоты» (PDF) . Американский химический журнал . 35 : 358–367 . Проверено 1 февраля 2019 г.
  2. ^ Эйд, Сэм (1909). «Производство нитратов из атмосферы с помощью электрической дуги - процесс Биркеланда-Эйда». Журнал Королевского общества искусств . 57 (2949): 568–576. JSTOR  41338647.
  3. ^ Кавендиш, Генри (1785). «Эксперименты в эфире». Философские труды Лондонского королевского общества . 75 : 372–384.
  4. ^ Аарон Джон Иде (1984). Развитие современной химии . Публикации Курьера Дувра. п. 678. ИСБН 0-486-64235-6.
  5. ^ Дж. Дж. Ли (2004). Величайшее в мире решение: история азота и сельского хозяйства . Издательство Оксфордского университета, США. стр. 134–139. ISBN 0-19-516582-9.
  6. ^ Биркеланд, Кр. (1906). «Об окислении атмосферного азота в электрических дугах». Труды Фарадеевского общества . 2 (декабрь): 98. doi : 10.1039/tf9060200098. ISSN  0014-7672.
  7. ^ Тревор Илтид Уильямс; Томас Кингстон Дерри (1982). Краткая история технологий двадцатого века c. 1900-ок. 1950 год . Издательство Оксфордского университета. стр. 134–135. ISBN 0-19-858159-9.
  8. ^ Плюкер (1861). «Ueber die Einwirkung des Magnets auf die elektrische Entladung» [О влиянии магнита на электрический разряд]. Annalen der Physik und Chemie (на немецком языке). 113 : 249–280. Из стр. 255 . (… кривые, по которым проходят [светящиеся разряды], принимают — насколько может судить глаз — именно форму круговых дуг, каждая из которых стоит перпендикулярно одной и той же прямой линии, соединяющей две точки электродов.)
  9. ^ Уорден, Эдвард Чонси (1921). Технология эфиров целлюлозы. Том. 1:2. Компания Д. Ван Ностранда. п. 870.
  10. ^ Меллор, JW (1918). Современная неорганическая химия. Лонгманс, Грин и Ко. р. 509.
  11. ^ Мартин, Джеффри; Барбур, Уильям (1915). Промышленные азотные соединения и взрывчатые вещества. Кросби Локвуд и сын. п. 21.
  12. ^ Карл Фишер; Уильям Э. Ньютон (2002). Дж. Дж. Ли (ред.). Азотфиксация на тысячелетии . Эльзевир. стр. 2–3. ISBN 0-444-50965-8.
  13. ^ Уэбб, HW (1923). Поглощение азотистых газов. Эдвард Арнольд и Ко. с. 20.
  14. ^ Дуглас Эрвин (2002). Проектирование промышленных химических процессов . МакГроу-Хилл. п. 613. ИСБН 0-07-137621-6.
  15. ^ Нокс, Джозеф (1914). Фиксация атмосферного азота. Компания Д. Ван Ностранда. стр. 45-50.