Процесс Биркеланда – Эйде - Birkeland–Eyde process

Реактор мощностью 3000 кВт, использовавшийся в Рьюкане с 1916 по 1940 год (за пределами Норвежского музея науки и техники ).

Процесс Биркеланда-Эйде был одним из конкурирующих промышленных процессов в начале производства азотных удобрений . Это многоступенчатая реакция азотфиксации, в которой используются электрические дуги для реакции атмосферного азота (N 2 ) с кислородом (O 2 ), в результате чего образуется азотная кислота (HNO 3 ) с водой. Полученная азотная кислота затем использовалась в качестве источника нитрата (NO 3 - ) в реакции, которая может происходить в присутствии воды или другого акцептора протонов .

Он был разработан норвежским промышленником и ученым Кристианом Биркеландом вместе со своим деловым партнером Сэмом Эйде в 1903 году на основе метода, использованного Генри Кавендишем в 1784 году. Завод, основанный на этом процессе, был построен в Рьюкане и Нутоддене в Норвегии вместе со зданием. крупных гидроэнергетических объектов.

Процесс Биркеланда – Эйде относительно неэффективен с точки зрения энергопотребления. Таким образом, в 1910 - х и 1920 - х годов, он постепенно заменен в Норвегии комбинацией процесса Haber и процесса Оствальда . Процесс Габера производит аммиак (NH 3 ) из молекулярного азота (N 2 ) и водорода (H 2 ), последний, как правило, но не обязательно, в современной практике получают путем паровой конверсии метана (CH 4 ). Аммиак из процесса Габера затем превращается в азотную кислоту (HNO 3 ) в процессе Оствальда .

Процесс

Схема изготовления плазменного диска с использованием водоохлаждаемых электродов и электромагнита
Один тип реактора, который использовался в Рьюкане с 1912 по 1940 год, сейчас находится в парке в Рьюкане.
Второй реакторный корпус за гидроэлектростанцией Сахайм, в котором было установлено 35 реакторов Биркеланд-Эйде мощностью 3000 кВт каждый

Электрическая дуга была сформирована между двумя коаксиальными электродами трубки медных водоохлаждаемых питанием от высокого напряжения переменного тока 5 кВ с частотой 50 Гц. Сильное статическое магнитное поле, создаваемое близлежащим электромагнитом, распределяет дугу в тонкий диск под действием силы Лоренца . Эта установка основана на эксперименте Юлиуса Плюкера, который в 1861 году показал, как создать диск искр, поместив концы U-образного электромагнита вокруг искрового промежутка так, чтобы промежуток между ними был перпендикулярен промежутку между электродами. и который позже был воспроизведен аналогичным образом Вальтером Нернстом и другими. Температура плазмы в диске превышала 3000 ° C. Через эту дугу продувался воздух, в результате чего часть азота вступала в реакцию с кислородом с образованием оксида азота . Путем тщательного управления энергией дуги и скоростью воздушного потока был получен выход примерно до 4-5% оксида азота при 3000 ° C и ниже при более низких температурах. Процесс чрезвычайно энергоемкий. Биркеланд использовал близлежащую гидроэлектростанцию ​​для производства электроэнергии, так как этот процесс требовал около 15 МВтч на тонну азотной кислоты, что давало примерно 60 г на киловатт-час. Та же реакция осуществляется молнией, обеспечивая естественный источник для преобразования атмосферного азота в растворимые нитраты.

Горячий оксид азота охлаждается и соединяется с кислородом воздуха с образованием диоксида азота . Время, необходимое для этого процесса, зависит от концентрации NO в воздухе. При 1% требуется около 180 секунд, а при 6% около 40 секунд для достижения 90% конверсии.

Затем этот диоксид азота растворяют в воде с образованием азотной кислоты, которую затем очищают и концентрируют фракционной перегонкой .

Дизайн процесса абсорбции имел решающее значение для эффективности всей системы. Диоксид азота абсорбировали водой в серии абсорбционных колонн с насадочной или тарельчатой ​​колонны, каждая из которых высотой четыре этажа, с получением приблизительно 40-50% азотной кислоты. Первые башни барботировали диоксид азота через воду и инертные кварцевые фрагменты. Как только первая башня достигла конечной концентрации, азотная кислота была перемещена в гранитный контейнер для хранения, а жидкость из следующей водонапорной башни заменила ее. Это движение продолжалось до последней водонапорной башни, которую наполнили пресной водой. Около 20% образовавшихся оксидов азота остались непрореагировавшими, поэтому последние башни содержали щелочной раствор извести для преобразования оставшегося в нитрат кальция (также известный как норвежская селитра), за исключением примерно 2%, которые были выброшены в воздух.

использованная литература