Ammoniakin synteesi

N2 + 3 H2 2 NH3

typpi N₂ ammoniakki NH₃ typpihappo HNO₃ nitraatit
ammoniakki NH₃ urea CO(NH₂)₂, polyamidit

Taustaksi

Typpeä on ilmassa 78 %. Se on kaksiatominen kaasu, jossa atomien välillä on erittäin luja kolmoissidos: sidosenergia on 944 kJ/mol. Alkuainetyppeä onkin siitä syystä vaikeaa saada reagoimaan toisten aineiden kanssa.

Jokainen eliö tarvitsee kuitenkin typpeä proteiiniensa ja nukleiinihappojensa tuottamiseen. Luonnossa typpi on jatkuvasti kierrossa, mutta luonnollinen kierto ei riitä tyydyttämään kaikkea typpiyhdisteiden tarvetta edes ravinnon tuotannossa. Jotkin mikro-organismit pystyvät sitomaan ilmasta typpeä, mutta niiden käyttämä entsymaattinen menetelmä on vielä toistaiseksi ollut kemisteille ylivoimainen jäljiteltävä. [Lisää aiheesta: Nitrogenaasi]

Ammoniakissa N–H-sidoksen energia on vain 388 kJ/mol, joten ammoniakki on huomattavasti helpommin reagoivaa kuin alkuainetyppi. Niinpä kemistit päättelivät ammoniakin valmistuksen avaavan parhaan tien typen sitomiseen ja jatkokäyttöön. Saksalaisen kemistin Fritz Haberin (1868 - 1934) ja insinöörin Carl Boschin (1874 - 1940) 1900-luvun alussa kehittämästä ammoniakin synteesistä onkin tullut keskeinen teollinen prosessi.

Ilmakehän typen sitominen ammoniakkiin luo pohjan monien muiden typpiyhdisteiden valmistukseen, mm. typpihapon, nitraattien ja urean, joilla on useita käyttökohteita lannoitteista ja räjähteiden valmistuksesta väriaineisiin, metallien käsittelyyn ja polymeerien valmistukseen.

Ammoniakin teollinen valmistus

1	Höyryreformointi	H > 0, katalyytti, n. 850 °C, korkea paine
2	Ilmakaasujen sekoitus
3	CO:n hapetus vesihöyryllä	H < 0, n. 450 - 500 °C, korkea paine
4	Pesu	CO2:n poistaminen
5	Ammoniakin synteesi	H < 0, katalyytti, korkea paine, n. 450 °C
6	Ammoniakin erottaminen

Korkea paine tarkoittaa n. 200 - 300 bar. Ammoniakin synteesissä (5) on vuodesta 1913 käytetty ja käytetään vielä useissa tuotantolaitoksissa osittain pelkistettyä magnetiitti- eli Fe₃O₄-katalyyttiä. Pelkistys tapahtuu synteesireaktorissa vetykaasulla. Hiilen oksidien poistaminen reaktioseoksesta on välttämätöntä, koska ne myrkyttävät katalyytin eli sitoutuvat katalyytin pintaan ja estävät sen toiminnan ammoniakin synteesissä.

Vuonna 1992 on otettu käyttöön myös alemmassa paineessa (n. 100 bar) tapahtuva ammoniakkiprosessi, jossa katalyyttinä on rutenium-grafiittiseos (Ru-C). Höyryreformoinnin olosuhteisiinkin voidaan vaikuttaa katalyytin valinnalla. Yleisesti käytössä on nikkelikatalyytti (Ni).

Ammoniakkiprosessin kustannuksia pystytään alentamaan ottamalla talteen prosessissa vapautuvaa energiaa. Kaavioon ei ole piirretty energiansiirtomenetelmää.

Tehtävät