عملية بوش-مايزر

تُعدّ عملية بوش -مايزر عملية صناعية لإنتاج اليوريا على نطاق واسع ، وهي مادة كيميائية نيتروجينية قيّمة. وقد سُجّلت براءة اختراعها عام 1922 ^{[ 1 ]} وسُمّيت نسبةً إلى مكتشفيها، الكيميائيين الألمانيين كارل بوش وويلهلم مايزر . ^{[ 2 ]}

تتكون العملية بأكملها من تفاعلين رئيسيين متوازنين ، مع تحويل غير كامل للمتفاعلات.

• الأولى تسمى تكوين الكربامات : التفاعل السريع الطارد للحرارة للأمونيا السائلة مع ثاني أكسيد الكربون الغازي ₍ CO2 ₎ عند درجة _حرارة وضغط عاليين لتكوين كربامات الأمونيوم ( [ NH4 ] ⁺ [ NH2COO ] ⁻ ): ^{[ 3 ]}

2 NH ₃ + CO ₂ ⇌ [ NH ₄ ] ⁺ [ NH ₂ COO] ⁻ (Δ H = −117 kJ/mol at 110 standard atmospheres [11,000 kPa] and 160 °C [320 °F] ) ^{[ 3 ] [ 4 ]}         

• أما العملية الثانية، فتسمى تحويل اليوريا : وهي عملية تحلل أبطأ ماصة للحرارة لكربامات الأمونيوم إلى يوريا وماء:

[ NH4 _] ⁺ [ NH2COO ] ⁻ ⇌ CO(NH2 ₎ 2 ₊ H2O ₍ ΔH = +15.5 ^{kJ /} mol عند 160–180 درجة مئوية [320–356 درجة فهرنهايت ] ) ^{[ 3 ] [ 4} _]        

_يُعدّ التحويل الكلي للأمونيا _وثاني أكسيد الكربون إلى اليوريا تفاعلاً طارداً للحرارة، حيث تُحفّز حرارة التفاعل الأول التفاعل الثاني. وتؤثر الظروف المُفضّلة لتكوين اليوريا (درجة الحرارة العالية) سلباً على توازن تكوين الكربامات. وتُمثّل ظروف العملية حلاً وسطاً: إذ يُعوّض التأثير السلبي لدرجة الحرارة العالية (حوالي 190 درجة مئوية [374 درجة فهرنهايت] ) اللازمة للتفاعل الثاني على التفاعل الأول، بإجراء العملية تحت ضغط عالٍ ( 140-175 بار [14000-17500 كيلو باسكال] )، مما يُفضّل التفاعل الأول. وعلى الرغم من ضرورة ضغط غاز ثاني أكسيد الكربون إلى هذا الضغط، إلا أن الأمونيا متوفرة من مصنع إنتاج الأمونيا في صورة سائلة، ما يُتيح ضخّها إلى النظام بتكلفة أقل بكثير. وللسماح لتفاعل تكوين اليوريا البطيء بالوصول إلى حالة التوازن، يلزم وجود حيز تفاعل كبير، لذا يميل مفاعل التخليق في مصنع اليوريا الكبير إلى أن يكون وعاء ضغط ضخماً.   

نظراً لأن تحويل اليوريا غير مكتمل، يجب فصل اليوريا عن المواد المتفاعلة غير المتحولة، بما في ذلك كربامات الأمونيوم. وتتميز عمليات إنتاج اليوريا التجارية المختلفة بظروف تكوين اليوريا وطريقة معالجة المواد المتفاعلة غير المتحولة.

تشترك التفاعلات الجانبية الرئيسية الثلاثة التي تنتج الشوائب في أنها تحلل اليوريا.

تتحلل اليوريا مرة أخرى إلى كربامات الأمونيوم في أكثر مراحل مصنع التخليق حرارة، وخاصة في وحدة التجريد، لذلك تم تصميم فترات الإقامة في هذه المراحل لتكون قصيرة. ^{[ 3 ]}

يتكون البيوريت عندما تتحد جزيئتان من اليوريا مع فقدان جزيء من الأمونيا.

2 NH ₂ CONH ₂ → NH ₂ CONHCONH ₂ + NH ₃

عادةً ما يتم كبح هذا التفاعل في مفاعل التخليق عن طريق الحفاظ على فائض من الأمونيا، ولكنه يستمر بعد وحدة التجريد حتى تنخفض درجة الحرارة. ^{[ 3 ]} يُعدّ البيوريت غير مرغوب فيه في سماد اليوريا لأنه سام للنباتات بدرجات متفاوتة، ^{[ 6 ]} ولكنه مرغوب فيه أحيانًا كمصدر للنيتروجين عند استخدامه في علف الحيوانات. ^{[ 7 ]}

ينتج حمض الأيزوسيانيك HNCO والأمونيا NH3 عن التحلل الحراري لسيانات الأمونيوم [ NH4 _] ⁺ [ OCN] ⁻ ، والذي يكون في _حالة توازن كيميائي مع اليوريا:

CO(NH ₂ ) ₂ → [ NH ₄ ] ⁺ [ OCN] ⁻ → HNCO + NH ₃

يبلغ هذا التحلل ذروته عند تسخين محلول اليوريا تحت ضغط منخفض، وهو ما يحدث عند تركيز المحلول لغرض التكوير أو التحبيب (انظر أدناه). تتبخر معظم نواتج التفاعل في الأبخرة العلوية، ثم تتحد مجددًا عند تكثفها لتكوين اليوريا مرة أخرى، مما يلوث مكثف العملية. ^{[ 3 ]}

تُعدّ محاليل كربامات الأمونيوم شديدة التآكل لمواد البناء المعدنية، حتى لأنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ، لا سيما في أكثر أجزاء مصنع التخليق حرارةً، مثل وحدة التجريد. تاريخيًا، كان يتم تقليل التآكل (وإن لم يُقضَ عليه تمامًا) عن طريق الحقن المستمر لكمية صغيرة من الأكسجين (على شكل هواء) في المصنع لتكوين طبقة أكسيد خاملة والحفاظ عليها على أسطح الفولاذ المقاوم للصدأ المكشوفة. وقد طُرحت مواد شديدة المقاومة للتآكل لتقليل الحاجة إلى أكسجين التخميل، مثل أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة المتخصصة في التسعينيات، وأنابيب الزركونيوم أو التيتانيوم المغلف بالزركونيوم في العقد الأول من الألفية الثانية. ^{[ 3 ]}

في عام 2022، قُدّر الإنتاج العالمي من اليوريا بحوالي 210 مليون طن (210 × 10 ^ ⁶ طن طويل؛ 230 × 10 ^ ⁶ طن قصير) . ^{[ 8 ]}