Vad är Haber-Bosch-processen?

Haber-Bosch-processen, eller helt enkelt Haber-processen, är ett förfarande som används vid storskalig tillverkning av ammoniak. Denna process uppkallades efter Fritz Haber och Carl Bosch, de två tyska kemisterna som uppfann processen i början av 20-talet. Haber-Bosch-processen utvecklades för att ersätta de mindre effektiva metoder som tidigare användes vid ammoniakproduktion, såsom Frank-Caro-processen. Idag används Haber-Bosch-processen huvudsakligen i produktionen av ammoniak som används i gödselmedel, till skillnad från under dess uppfinningsår när det användes för att tillhandahålla ammoniak för sprängämnen som användes under första kriget.

Bakgrund

Haber-Bosch-processen uppfanns för att möta de höga kraven på ammoniak i 1800-talet. Efterfrågan på ammoniak ökade på grund av sitt krav på gödningsmedel och livsmedelsproduktion av boskap. I början av 1900-talet beslutade Haber att komma fram till en alternativ metod för att upprätthålla efterfrågan på ammoniak. Haber Fritz, tillsammans med sin assistent, kom fram med en process som krävde användningen av katalysatorer och en högtrycksanordning. Demonstrationsprocessen var liten skala på laboratorienivå. Demonstrationen ägde rum sommaren 1909. Ammoniak genererades som droppar med en hastighet av 125 ml per timme. Denna process fick erkännande och köptes av BASF, ett tyskbaserat kemikalieföretag. Carl Bosch fick till uppgift att säkerställa att processen uppgraderades till en industriell nivå, vilket han framgångsrikt gjorde 1910. Storskalig produktion av ammoniak började 1913 på Oppau-fabriken som ägdes av BASF. Växten multiplicerade ammoniakproduktionen som slog 20 ton per dag 1914. Haber-Bosch-processen var en tillgång för Tyskland under första världskriget. Haber vann ett Nobelpris 1913 och Bosch vann samma pris 1931.

Processen

Ammoniak bildas genom en process som innefattar reaktion av kväve och väte. Processen sker under temperaturer mellan 400 och 500 grader Celsius. Kväve och vätegaser passerar över katalysatorer, med konstanta temperaturregler för att hålla jämvikten stabil. Gaser passeras över fyra uppsättningar av katalysatorer. Vid varje uppsättning reagerar ca 15% gas för att bilda ammoniak. De gaser som inte har reagerat överförs genom katalysatorerna igen och igen. I slutet har nästan 97% av gaserna reagerat. Kväve är inte reaktivt på grund av de starka trippelbindningarna som håller sina molekyler ihop. För att det ska reagera med väte krävs höga temperaturer och katalysatorer. Vätet som används i Haber-Bosch-processen förvärvas huvudsakligen från metan. För att få väte från metan utförs ångreformeringsprocessen, varvid gasen sätts under höga temperaturer och tryck och en nickelkatalysator. För att öka produktionshastigheten avlägsnas ammoniak ofta från systemet. De vanligen använda katalysatorerna i Haber-processen innefattar de järnbaserade katalysatorerna, uran och osmium.

Ekonomiska och miljömässiga aspekter

Efter att Haber-Bosch-processen hade uppfunnits skulle den tävla med cyanamidprocessen. Cyanamidprocessen var ineffektiv eftersom den utnyttjade stora mängder kraft och arbete. Haberprocessen har intensifierats till en nivå som årligen producerar cirka 450 miljoner ton kvävegödselmedel. Den stora produktionen av gödselmedel har lett till att stora områden av mark läggs under jordbruket. Ammoniakgödsel har ökat jordbruksutbytet och god matförsörjning vilket leder till ökade befolkningstillväxt.