Proces Birkeland – Eyde - Birkeland–Eyde process

Reaktor používaný v Rjukanu od roku 1916 do roku 1940 s výkonem 3000 kW (venku Norské muzeum vědy a techniky ).

The Proces Birkeland – Eyde byl jedním z konkurenčních průmyslových procesů na začátku roku 2006 dusíkaté hnojivo Výroba.[1] Byl vyvinut norským průmyslníkem a vědcem Kristian Birkeland spolu se svým obchodním partnerem Sam Eyde v roce 1903,[2] založené na metodě používané Henry Cavendish v roce 1784.[3] Tento proces byl použit k opravě atmosférického dusík (N2) do kyselina dusičná (HNO3), jeden z několika chemických procesů obecně označovaných jako fixace dusíkem. Výsledná kyselina dusičná byla poté použita jako zdroj dusičnan (NE3−) v reakci

které mohou probíhat v přítomnosti vody nebo jiné akceptor protonů.

Byla postavena továrna založená na tomto procesu Rjukan a Notodden v Norsku v kombinaci s výstavbou velkých vodní energie zařízení.[4][5]

Proces Birkeland – Eyde je z hlediska spotřeby energie relativně neefektivní. Proto byla v 10. A 20. Letech 20. století v Norsku postupně nahrazována kombinací Haberův proces a Ostwaldův proces. Haberův proces produkuje amoniak (NH3) z molekulárního dusíku (N2) a vodík (H2), druhý obvykle, ale ne nutně, vyráběný parním reformováním metanu (CH4) plyn v současné praxi. Amoniak z Haberova procesu se poté přemění na kyselina dusičná (HNO3) v Ostwaldův proces.[6]

Proces

Schéma výroby plazmového disku pomocí vodou chlazených elektrod a elektromagnetu
Jeden typ reaktoru používaného v Rjukanu od roku 1912 do roku 1940 se nyní nachází v parku v Rjukanu.
Budova reaktoru II za Vodní elektrárna Såheim ve kterých bylo instalováno 35 reaktorů Birkeland-Eyde, z nichž každý vyžadoval 3 000 kW

An elektrický oblouk byla vytvořena mezi dvěma koaxiálními vodou chlazenými měděnými trubičkovými elektrodami napájenými a vysokého napětí střídavý proud 5 kV při 50 Hz. Silné statické magnetické pole generované blízkým elektromagnet šíří oblouk na tenký disk u Lorentzova síla. Toto nastavení je založeno na experimentu od uživatele Julius Plücker který v roce 1861 ukázal, jak vytvořit disk jisker umístěním konců elektromagnetu ve tvaru písmene U kolem jiskřiště tak, aby mezera mezi nimi byla kolmá na mezeru mezi elektrodami a která byla později podobně replikována Walther Nernst a další.[7] Teplota plazmy na disku byla vyšší než 3000 ° C. Tímto obloukem byl vháněn vzduch, což způsobilo, že část dusíku reagovala s tvorbou kyslíku oxid dusnatý. Pečlivým řízením energie oblouku a rychlosti proudu vzduchu byly získány výtěžky až přibližně 4 až 5% oxidu dusnatého při 3000 ° C a nižších při nižších teplotách.[8][9] Tento proces je extrémně energeticky náročný. Birkeland používal pro elektřinu nedalekou vodní elektrárnu, protože tento proces vyžadoval přibližně 15 MWh na tunu kyseliny dusičné, čímž se získalo přibližně 60 g na kWh. Stejná reakce se provádí bleskem, což poskytuje přirozený zdroj pro přeměnu atmosférického dusíku na rozpustné dusičnany.[10]

Horký oxid dusnatý se ochladí a spojí se s atmosférickým kyslíkem oxid dusičitý. Doba, kterou tento proces trvá, závisí na koncentraci NO ve vzduchu. Při 1% dosažení 90% konverze trvá přibližně 180 sekund a při 6% přibližně 40 sekund.[11]

Tento oxid dusičitý se poté rozpustí ve vodě za vzniku kyseliny dusičné, která se poté čistí a koncentruje frakční destilace.[12]

Návrh absorpčního procesu byl rozhodující pro účinnost celého systému. Oxid dusičitý byl absorbován do vody v sérii zabalený sloupec nebo deskový sloup absorpční věže vysoké každý čtyři příběhy k produkci přibližně 40-50% kyseliny dusičné. První věže probublávaly oxid dusičitý vodou a nereaktivními křemennými fragmenty. Jakmile první věž dosáhla konečné koncentrace, byla kyselina dusičná přemístěna do žulového skladovacího kontejneru a kapalina z další vodárenské věže ji nahradila. Tento pohybový proces pokračoval k poslední vodárenské věži, která byla doplněna čerstvou vodou. Asi 20% produkovaných oxidů dusíku zůstalo nezreagováno, takže konečné věže obsahovaly alkalický roztok Limetka převést zbývající na dusičnan vápenatý (také známý jako norský ledek) s výjimkou přibližně 2%, které byly vypuštěny do ovzduší.[13]

Reference

  1. ^ Remsen, I .; Renoup, H. (1906). „Oxidace atmosférického dusíku s odkazem na výrobu dusičnanů a kyseliny dusičné“ (PDF). American Chemical Journal. 35: 358–367. Citováno 1. února 2019.
  2. ^ Eyde, Sam (1909). „Výroba dusičnanů z atmosféry elektrickým obloukem - proces Birkeland-Eyde“. Journal of the Royal Society of Arts. 57 (2949): 568–576. JSTOR  41338647.
  3. ^ Aaron John Ihde (1984). Vývoj moderní chemie. Publikace Courier Dover. p. 678. ISBN  0-486-64235-6.
  4. ^ G. J. Leigh (2004). Největší oprava na světě: historie dusíku a zemědělství. Oxford University Press USA. str.134–139. ISBN  0-19-516582-9.
  5. ^ Birkeland, Kr. (1906). „O oxidaci atmosférického dusíku v elektrických obloucích“. Transakce Faradayovy společnosti. 2 (Prosinec): 98. doi:10.1039 / tf9060200098. ISSN  0014-7672.
  6. ^ Trevor Illtyd Williams; Thomas Kingston Derry (1982). Krátká historie technologie dvacátého století c. 1900-c. 1950. Oxford University Press. str. 134–135. ISBN  0-19-858159-9.
  7. ^ Worden, Edward Chauncey (1921). Technologie esterů celulózy. 1:2. Společnost D. Van Nostrand. p.870.
  8. ^ Mellor, J. W. (1918). Moderní anorganická chemie. Longmans, Green and Co. str.509.
  9. ^ Martin, Geoffrey; Barbour, William (1915). Průmyslové sloučeniny dusíku a výbušniny. Crosby Lockwood a syn. p.21.
  10. ^ Karl Fisher; William E. Newton (2002). G. J. Leigh (ed.). Fixace dusíku v tisíciletí. Elsevier. s. 2–3. ISBN  0-444-50965-8.
  11. ^ Webb, H. W. (1923). Absorpce dusíkatých plynů. Edward Arnold & Co. str.20.
  12. ^ Douglas Erwin (2002). Návrh průmyslových chemických procesů. McGraw-Hill. p. 613. ISBN  0-07-137621-6.
  13. ^ Knox, Joseph (1914). Fixace atmosférického dusíku. Společnost D. Van Nostrand. str.45 -50.