Процес Біркеланда — Ейде

Процес Біркеланда — Ейде — один з промислових методів виробництва азотних добрив. Його розробив норвезький промисловець і вчений Крістіан Біркеланд в 1903 році на основі методу, використаного Генрі Кавендішем ще у 1784 р.

Розташування однофазних печей Біркеланда-Ейде з шістьма регульованими електродами

Насправді, на той час головною метою норвезького вченого було вивчення полярного сяйва. Щоб отримати гроші на проведення дослідження природного явища, Біркеланд придумав і розробив електромагнітний метод вилучення азотної кислоти з повітря. Разом зі своїм діловим партнером, інженером Самом Ейде, Крістіан створив першу установку, у якій атмосферне повітря під тиском проганяли через вольтову дугу змінного струму з напругою 5000 В та потужністю 500 кВт. Дуга оберталася в постійному магнітному полі, створюючи диск 2 м в діаметрі. Цей спосіб був використаний для фіксації атмосферного азоту (N₂) в азотній кислоті (HNO₃), одній з декількох хімічних процесів, які зазвичай називають фіксацією азоту. Отриману азотну кислоту потім використовували як джерело нітрату (NO₃^-) у реакції

HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻,

що може відбуватися в присутності води або іншого акцептора протона.

Процес Біркеланда — Ейде відносно неефективний з точки зору енергоспоживання (<100 г HNO₃ на 1 кВт·год), тому в 1910-х і 1920-х роках він був поступово замінений в Норвегії поєднанням процесу Габера та : процес Габера виробляє аміак (NH₃) з молекулярного азоту (N₂) та водню (H₂), який потім перетворюється в азотну кислоту в процесі Оствальда.

Процес

Будова диску із двома мідними електродами

За цим методом між двома коаксіальними електродами створюється електрична дуга, що за допомогою сильного магнітного поля розподіляється по тонкому диску. Температура плазми в диску перевищує 3000 °C. За допомогою цієї дуги продувають повітря, що приводить до реакції долі азоту з киснем, утворюючи оксид азоту NO. Ретельно контролюючи енергію дуги і швидкість повітряного потоку, отримують до 4 % окису азоту. Така ж реакція здійснюється блискавкою, забезпечуючи природне джерело перетворення атмосферного азоту в розчинні нітрати.

N₂ + O₂ → 2NO

Гарячий оксид азоту охолоджується і поєднується з атмосферним киснем для отримання діоксиду азоту NO₂.

2NO + O₂ → 2NO₂

Діоксид азоту потім розчиняють у воді з утворенням азотної кислоти, яку очищають методом фракційної перегонки.

3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

Цей процес надзвичайно енергоємний. Біркеланд використовував сусідню гідроелектростанцію Согейм для електроенергії, оскільки виробництво вимагало близько 15 МВт·год на кожну тонну азотної кислоти.

Примітки

1. Remsen, I.; Renoup, H. (1906). "The Oxidation of Atmospheric Nitrogen with Reference to the Manufacture of Nitrates and Nitric Acid". American Chemical Journal. 35: 358–367. Retrieved 30 December 2015.
2. Aaron John Ihde (1984). The development of modern chemistry. Courier Dover Publications. p. 678. . ISBN .
3. Birkeland, Kr. (1906). "On the oxidation of atmospheric nitrogen in electric arcs". Transactions of the Faraday Society. 2 (December): 98.doi:10.1039/tf9060200098. ISSN 0014-7672.
4. Trevor Illtyd Williams; Thomas Kingston Derry (1982). A short history of twentieth-century technology c. 1900-c. 1950. Oxford University Press. pp. 134–135. . ISBN .
5. Karl Fisher; William E. Newton (2002). G. J. Leigh, ed. Nitrogen fixation at the millennium. Elsevier. pp. 2–3. . ISBN .
6. Douglas Erwin (2002). Industrial Chemical Process Design. McGraw-Hill. p. 613. . ISBN .