»  Výroba amoniaku

Výroba čpavku přímou syntézou z prvků

Historie výroby čpavku

Amoniak, česky čpavek, je nejjednodušší sloučeninou dusíku a vodíku. Technologie výroby amoniaku má velmi jednoduchý princip, ale její technické zvládnutí je relativně složité. O přímou syntézu čpavku z prvků se pokoušela celá řada chemiků již od roku 1785, kdy Claude Louis Berthollet podal důkaz o tom, že se amoniak skládá z vodíku a dusíku a jako první přibližně odhadl jeho chemické složení. Samotná slučovací reakce je velmi jednoduchá a probíhá podle rovnice:

3H2 + N2 = 2NH3 ΔH

Technické zvládnutí výroby čpavku na základě této jednoduché reakce bylo omezeno tehdejší nízkou znalostí teorie reakční kinetiky. Za běžných podmínek totiž probíhá slučování vodíku s dusíkem velice malou rychlostí a jeho praktický výtěžek je téměř nulový. Skutečný chemismus syntézní reakce je totiž podstatně složitější, nejprve probíhá na povrchu katalyzátoru energeticky náročná disociace molekul vodíku a dusíku na atomy:

H2 → 2H·
N2 → 2N·

Vlastní syntéza amoniaku probíhá ve třech stupních:

N· + H· →NH
NH + H· → NH2
NH2 + H· → NH3

Teprve v roce 1907 byla týmem Nernsta a Habera sestavena první funkční aparatura pro přímou syntézu amoniaku za zvýšeného tlaku a teploty na železném katalyzátoru. V roce 1909 dosahovala Haberova aparatura, tvořená kovovou z vnějšku vyhřívanou vysokotlakou trubkou naplněnou železným katalyzátorem, výkonu 80 g NH3 za hodinu.

Výzkum reakčních podmínek rychle postupoval a 9. září 1913 byla v německém Oppau uvedena do provozu první průmyslová jednotka pro výrobu čpavku, která byla sestrojena podle původního Haberova návrhu s řadou zdokonalení podle Boshe.

Technologie výroby amoniaku

I po téměř 100 letech probíhá výroba čpavku v našem jediném výrobním závodě podle původního, byť podstatně zdokonaleného, Haberova-Boshova postupu.

Obě suroviny pro syntézu amoniaku, vodík a dusík, se namíchají na požadovaný poměr 3:1 a poté reakční směs vstupuje do syntézního okruhu, kde se smísí s reakčními zplodinami. Soustavou tepelných výměníků, ve kterých se směs postupně protiproudně ohřívá teplem reakčních zplodin, vstupuje plyn do reaktoru prvního syntézního okruhu. Transport plynů v okruhu zajišťují výkonné turbokompresory, které dovedou při tlaku 30 MPa zpracovat několik stovek tisíc krychlových metrů plynu za hodinu. Vysoké objemové rychlosti jsou nutné k dosažení požadovaného výtěžku, stupeň konverze slučovací reakce, je i přes náročné reakční podmínky, velmi nízký.

Reaktor pro syntézu čpavku je stojatá válcová nádoba vyrobená z oceli legované manganem, molybdenem, chromem a vanadem. Reaktor je naplněn několika desítkami tun houbovitého železa jako katalyzátoru. V katalytickém loži reaktoru dochází při teplotě 450-550°C a tlaku 30 MPa k vlastní slučovací reakci. Optimální teplotní režim reakce je udržován zaváděním části chladné reakční směsi do jednotlivých vrstev katalytického lože.

Reakce mezi vodíkem a dusíkem je silně exotermní, největší část tepla odevzdávají reakční zplodiny v parním kotli. Reakční směs dále postupuje soustavou protiproudých výměníků tepla, kde předává další část tepla vstupujícímu proudu plynu. K oddělení vyrobeného čpavku od nezreagované směsi plynů se využívá kondenzace v podchlazovači, což je zařízení kombinující výměník tepla, chlazený kapalným čpavkem na teplotu -10°C, s odlučovačem. Do tohoto místa syntézní jednotky se přidává čerstvá směs vodíku a dusíku. Z odlučovače postupuje zkondenzovaný vyrobený amoniak přes redukční ventil do skladu vyrobeného čpavku. Ze skladu se kapalný amoniak expeduje k dalšímu využití.

Nezreagované plyny z prvního okruhu se vedou k dalšímu zpracování do druhého a následně i do třetího syntézního okruhu. Z třetího okruhu se část plynu, jako tzv. expanzní plyn, kontinuálně odpouští k dalšímu zpracování.

Katalyzátor pro výrobu čpavku

Zajímavostí je nakládání s železným katalyzátorem. Katalyzátor z houbovitého železa má značný aktivní povrch a na vzduchu je silně pyroforní, bezpečná manipulace s ním proto není možná. Nový katalyzátor se musí do reaktoru vkládat v neaktivní formě jako směs oxidů železa a malého množství promotorů (K2O, CaO, Al2O3). Do aktivní formy se katalyzátor před uvedením reaktoru do provozu musí převést redukcí vodíkem za zvýšeného tlaku a teploty.

Po ukončení několikaleté životnosti železného katalyzátoru se musí provést jeho opětovná pasivace do neaktivní podoby. Pasivace katalyzátoru se provádí řízenou oxidací železa pomocí směsi dusíku s přesně dávkovaným a postupně zvyšovaným podílem kyslíku za současného intenzivního chlazení celého reaktoru.

V oblasti katalyzátorů pro výrobu čpavku probíhá neustálý vývoj. Velmi perspektivní se jeví železný katalyzátor s kobaltem jako promotorem, intenzivně se zkoumají katalyzátory na bázi nanočástic železa.

Reakci mezi vodíkem a dusíkem katalyzuje celá řada přechodných kovů, z nich je nejúčinnější ruthenium. Rutheniový katalyzátor na grafitovém nosiči ve formě pelet využívá jako promotory cesium, baryum a draslík a je v současnosti nejúčinnějším katalyzátorem, který umožňuje syntézu amoniaku za podstatně nižších tlaků.

Zdroje