Метод Биркеланда-Эйда

Строительство завода по производству азотной кислоты Birkeland-Eyde в Нутоддене , 1906 г.

Процесс Биркеланд-Эйде - исторический процесс в промышленном производстве азотных удобрений . Норвежский Промышленные и ученые Kristian Birkeland и его деловой партнер Сэм Eyde разработал его в 1903 году, на основе метода , который Генри Кавендиш был использован в 1784 - м С помощью этого процесса атмосферный азот (N ₂ ) может быть преобразован в азотную кислоту (HNO ₃ ) и, таким образом, закреплен в качестве основы для нитратных удобрений .

В Рьюкане и Нутоддене в Норвегии промышленные предприятия производили продукцию с использованием этого процесса.

Процесс Биркеланда-Эйде относительно неэффективен с точки зрения энергозатрат. Именно поэтому он постепенно заменен в Норвегии в 1910 - х и 1920 - х годов с помощью комбинации процесса Haber-Bosch и процесса Оствальда .

Процедура

Между двумя коаксиальными электродами из медных трубок с водяным охлаждением зажигается электрическая дуга с высоковольтным переменным током 5 кВ при 50 Гц. Сильное статическое магнитное поле раздвигает дугу в тонкий диск под действием силы Лоренца . Эта установка основана на эксперименте Юлиуса Плюккера, который в 1861 году показал, что искровой диск можно создать, поместив концы U-образного электромагнита вокруг искрового промежутка так, чтобы промежуток между ними был перпендикулярен промежутку между электродами. Позднее структура была воссоздана аналогичным образом Вальтером Нернстом и другими.

Температура плазмы в дисковой дуге более 3000 ° C. Через эту дугу продувается воздух, в результате чего азот и кислород вступают в реакцию с образованием монооксида азота . При тщательном контроле энергии дуги и расхода воздуха был достигнут выход примерно от 4 до 5% оксида азота. Для этого процесса требовалось около 15 МВт-ч электроэнергии на тонну произведенной азотной кислоты, которую Биркеланд получал на гидроэлектростанции.

${\ Displaystyle \ mathrm {N_ {2} + O_ {2} \ longrightarrow 2 \ NO}}$

Горячий монооксид азота охлаждается и реагирует с кислородом воздуха с образованием диоксида азота . Требуемое время реакции зависит от концентрации NO в воздухе: при 1% требуется около 180 секунд, а при 6% - около 40 секунд для достижения 90-процентной конверсии.

${\ Displaystyle \ mathrm {2 \ NO + O_ {2} \ longrightarrow 2 \ NO_ {2}}}$

Затем этот диоксид азота растворяется в воде, образуя азотную кислоту, которую затем очищают и концентрируют фракционной перегонкой.

${\ Displaystyle \ mathrm {3 \ NO_ {2} + H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ HNO_ {3} + NO}}$

Технология процесса абсорбции имеет решающее значение для эффективности всего процесса. Диоксид азота вводили в воду в серии абсорбционных колонн, каждая по четыре этажа, для получения примерно 40-50% азотной кислоты. Как только в одной башне была достигнута конечная концентрация, азотная кислота была перенесена в гранитный контейнер и заменена жидкостью из следующей башни. Около 20% образовавшихся оксидов азота не вступили в реакцию и были преобразованы в нитрат кальция ( норвежскую селитру ) с известковым молоком в последующих башнях . Еще 2% в итоге было выброшено в атмосферу.

Индивидуальные доказательства

1. ^ Ремсен, I .; Renoup, H .: "Окисление атмосферного азота применительно к производству нитратов и азотной кислоты". Американский химический журнал 35 (1906), стр. 358-367.
2. ↑ Эйд, Сэм: «Производство нитратов из атмосферы с помощью электрической дуги - процесс Биркеланда-Эйда». Журнал Королевского общества искусств. 57 (1909) № 2949, стр. 568-576. JSTOR 41338647.
3. ^ Аарон Джон Идэ: Развитие современной химии. Courier Dover Publications (1984), стр. 678. ISBN 0-486-64235-6 .
4. ^ GJ Leigh: Величайшее исправление в мире: история азота и сельского хозяйства. Oxford University Press, США (2004), стр. 134-139. ISBN 0-19-516582-9 .
5. ↑ Биркеланд, К .: Об окислении атмосферного азота в электрических дугах. Труды Общества Фарадея (1906), № 2 (декабрь), стр. 98. https: // doi: 10.1039 / tf9060200098 . ISSN 0014-7672.
6. ↑ Тревор Илтид Уильямс; Томас Кингстон Дерри: Краткая история технологий двадцатого века c. 1900-с. 1950. Oxford University Press (1982), стр. 134–135. ISBN 0-19-858159-9 .
7. ^ Уорден, Эдвард Чонси: Технология сложных эфиров целлюлозы. 1: 2. Компания Д. Ван Ностранд (1921), стр. 870.
8. ↑ Меллор, Дж. В .: Современная неорганическая химия. Longmans, Green and Co. (1918), стр. 509.
9. ↑ Мартин, Джеффри; Барбур, Уильям: Промышленные соединения азота и взрывчатые вещества. Кросби Локвуд и сын. (1915) с. 21.
10. ↑ Карл Фишер; Уильям Э. Ньютон (2002). Г.Дж. Ли (ред.). Фиксация азота в тысячелетии. Эльзевир. С. 2-3. ISBN 0-444-50965-8 .
11. ↑ Уэбб, HW: Поглощение азотистых газов. Эдвард Арнольд и Ко. 1923, стр.20.
12. ^ Дуглас Эрвин: Дизайн промышленного химического процесса. McGraw-Hill 2002. стр. 613. ISBN 0-07-137621-6 .
13. ↑ Нокс, Джозеф: Фиксация атмосферного азота. D. Van Nostrand Company 1914, стр. 4