Redigerer Haber–Bosch-prosessen (avsnitt)

== Prosessen ==
Selve Haber-Bosch-prosessen har endret seg lite gjennom årene. Kildene for hydrogenet har gjennomgått forandringer, men i det store og hele er det fremdeles de samme grunnleggende prinsippene som ligger til grunne for prosessen: få tak i rent hydrogen og nitrogen og la dem reagere ved høyt trykk, temperatur og ved hjelp av en katalysator.

=== Jakten på hydrogenet ===
Selv om den kjemiske reaksjonen er forholdsvis enkel, er det vanskelig å utvinne rent nitrogen og hydrogen. Moderne bedrifter bruker gjerne [[metan]] eller [[våtgass]] som grunnbasis for hydrogenutvinningen. Denne gassen er som regel uren og inneholder visse [[svovel]]forbindelser som må bort gjennom en prosess som kalles [[avsvovling]]. Avsvovlingen fungerer ved å la de svovelholdige molekyler reagerer med [[sink]] og danner [[sinksulfid]], ZnS.

Etter at gassen er ren for svovelholdige molekyler, går den gjennom en primærreformer, der gassen blir tilført overhetet damp som reagerer med metanet eller våtgassen, og danner rent hydrogen:

: <math>\mathrm{C_nH_{2n + 2} + n\ H_2O \leftrightharpoons n\ CO + (2n + 1)\ H_2}</math>
: <math>\mathrm{CO + H_2O \leftrightharpoons CO_2 + H_2}</math>

Disse reaksjonene foregår på svært høy temperatur for å forhindre at [[karbonmonoksid]]et skal reagere med hydrogengass og produsere metan igjen i en [[eksoterm reaksjon]]. I tillegg er den originale reaksjonen med våtgass eller metan [[endoterm reaksjon|endoterm]], så om vi øker temperaturen vil vi få dannet mer hydrogen, som er akkurat det vi vil.

Etter primærreformeren kommer sekundærreformeren, der det blir lagt til luft. Her kommer nitrogenet inn i gassen, og den blir med videre i prosessen uten at det skjer noe med den: den er allerede på formen N<sub>2</sub>, slik vi ønsker. Hydrogen og karbonmonoksid reagerer med [[oksygen]]et i lufta og forbrenner, og det dannes i første omgang [[vann]] og [[karbondioksid]] respektivt. Etter forbrenningen reagerer mer metan med vann og det dannes mer hydrogengass; karbonmonoksid reagerer med vann og danner mer karbondioksid. I tillegg til oksygen og nitrogen kommer det inn litt [[argon]]gass som bare blir med i hele prosessen som en blindpassasjer.

Gassen som går ut av sekundærreformeren inneholder fremdeles litt over 10&nbsp;% karbonmonoksid som må bort. Dette gjøres gjennom en konverteringsfase med dampreforming gjennom den kjemiske reaksjonen:

: <math>\mathrm{CO + H_2O \leftrightharpoons CO_2 + H_2}</math>

Denne reaksjonen skjer først med høy temperatur, deretter lav temperatur, og når gassen går ut av konverteringsavsnittet har den en karbonmonoksidkonsentrasjon på bare 0,2&nbsp;%.

Neste steg er fjerning av CO<sub>2</sub>. Dette gjøres gjerne ved [[vannrensing]] der [[Henrys lov]] (mengden av gass som kan løses i en væske er proporsjonal med gassens [[partialtrykk]] over væsken) blir utnyttet. Gassen blir komprimert opp til ca. 25&nbsp;[[bar (enhet)|bar]] og passerer vann. Mye CO<sub>2</sub> binder seg til vannet, og vi får vann som er rikt på kullsyre (teknisk sett [[Farris (mineralvann)|Farris]]).

Selv om det meste av karbonforbindelsene er borte på dette stadiet, er det fremdeles rester som må fjernes, ettersom karbondioksid og karbonmonoksid forstyrrer [[katalysator]]en som brukes senere i prosessen. Derfor går den inn i et siste stadium før selve syntesen, der den metaniseres, det vil si karbonoksidene omdannes til metan via en [[nikkel]]basert katalysator som gjør at hydrogenet reagerer med karbonoksidene, og det dannes metan:

: <math>\mathrm{CO + 3\ H_2 \leftrightharpoons CH_4 + H_2O}</math>
: <math>\mathrm{CO_2 + 4\ H_2 \leftrightharpoons CH_4 + 2\ H_2O}</math>

Nå er ammoniakksyntesegassen klar. Den inneholder omtrent 75&nbsp;% hydrogen og 25&nbsp;% nitrogen, pluss litt metan og argon. Den er fri for alle stoffer som vil forstyrre katalysatoren senere i ammoniakksyntesen.

=== Ammoniakksyntesen ===
Ammoniakksyntesen skjer ved ekstremt høyt trykk, og derfor må gassen komprimeres før den kommer inn i syntesekretsløpet. I tillegg vaskes gassen én siste gang med flytende ammoniakk for å fjerne rester av olje og vann som eventuelt har blitt med. Deretter føres gassen inn i en seperasjonstank, der syntesegassen blir tilført ammoniakkholdig gass som kommer fra reaksjonstankene. Gassen holder et ekstremt høyt trykk (omtrent 280-300&nbsp;bar), og gassenes kokepunkter stiger. I tillegg er temperaturen inne i tanken forholdsvis lav (opp til 70&nbsp;&deg;C). Ammoniakk har lavest [[kokepunkt]] av alle stoffene i tanken, og kokepunktet stiger over den temperaturen som holdes der inne: ammoniakken kondenseres og ledes flytende ut i rør og passerer ny, fersk syntesegass. Til slutt dekomprimeres ammoniakken for å fjerne urenheter i væsken, før den føres bort som ferdig ammoniakk.

Den gassen som ''ikke'' kondenserer i separatortanken, føres videre inn i syntesereaktorene, der selve den kjemiske prosessen foregår:

:<math>\mathrm{N_2 + 3\ H_2 \leftrightharpoons 2\ NH_3}</math>

Stoffene i syntesereaktorene holder en høy temperatur, for selv om det er ugunstig for [[likevekt]]en gjør det at reaksjonen går mye raskere. Gassen som går inn i reaktorene inneholder omtrent 5&nbsp;% ammoniakk, mens gassen som kommer ut kan under ideelle driftsforhold holde ca. 20&nbsp;%. Gassen går nå tilbake til synteseseparatoren, der den blandes med ny, frisk gass og avkjøles, slik at ammoniakken kan kondensere. Hydrogenet og nitrogenet som ikke reagerte tidligere, går tilbake inn i kretsløpet tilbake mot syntesereaktoren.

=== Avfallshåndtering ===
Syntesegassen som kommer inn i syntesekretsløpet, inneholdt som sagt litt [[argon]] og [[metan]]. Disse gassene inngår ikke i noen reaksjoner videre i kretsløpet, og blir bare med som &laquo;blindpassasjerer&raquo;. Dette blir problematisk etter en stund, ettersom vi hele tiden tilfører ny syntesegass og tapper av ferdig ammoniakk: argon- og metangassen vil rett og slett hope seg opp i systemet, og derfor må man på en eller annen måte fjerne dem fra kretsløpet.

Dette gjøres ved å ta ut deler av lufta ut av sirkulasjonen etter at den har vært i synteseseparatortanken. Ved å balansere får man tatt ut like mye argon og metan som man tilfører gjennom ny, frisk syntesegass, og problemet med opphopning av blindpassasjerstoffer er løst.

Gassen som tas ut av sirkulasjon brukes gjerne til andre foremål, gjerne utvinning av argon og forbrenning av metan. Nitrogenet og hydrogenet som også blir tatt ut kan utvinnes som eget produkt, eller de kan føres tilbake inn i syntesekretsløpet.