عملية أوستوالد

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
إعداد مختبري يوضح الخطوات المتتالية لعملية أوستوالد لصنع حمض النيتريك.
إعداد مختبري يوضح الخطوات المتتالية لعملية أوستوالد لصنع حمض النيتريك .

عملية أوستوالد هي عملية كيميائية تُستخدم لإنتاج حمض النيتريك (HNO₃ ) . [ 1 ] تُعدّ عملية أوستوالد ركيزة أساسية في الصناعة الكيميائية الحديثة ، وتُوفّر المادة الخام الرئيسية لأكثر أنواع الأسمدة شيوعًا. [ 2 ] تاريخيًا وعمليًا، ترتبط عملية أوستوالد ارتباطًا وثيقًا بعملية هابر ، التي تُوفّر المادة الخام اللازمة، وهي الأمونيا (NH₃ ) . تُفضّل هذه الطريقة على طرق إنتاج حمض النيتريك الأخرى لأنها أقل تكلفة وأكثر كفاءة. [ 3 ]

ردود الفعل

يتم تحويل الأمونيا إلى حمض النيتريك على مرحلتين.

الأكسدة الأولية للأمونيا

تبدأ عملية أوستوالد بحرق الأمونيا . تحترق الأمونيا في الأكسجين عند درجة حرارة تقارب 900 درجة مئوية (1650 درجة فهرنهايت) وضغط يصل إلى 8 ضغط جوي قياسي (810 كيلو باسكال) [ 4 ] بوجود عامل حفاز مثل شاش البلاتين الممزوج بنسبة 10% من الروديوم لزيادة صلابته وإنتاج أكسيد النيتريك، أو معدن البلاتين على صوف السيليكا المنصهر، أو النحاس، أو النيكل لتكوين أكسيد النيتريك (أكسيد النيتروجين الثنائي) والماء (على شكل بخار). هذا التفاعل طارد للحرارة بشدة ، مما يجعله مصدرًا حراريًا مفيدًا بمجرد بدء تشغيله: [ 5 ]   

4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O (Δ H = −905.2  kJ/mol)

ردود الفعل الجانبية

تتنافس عدة تفاعلات جانبية مع عملية تكوين أكسيد النيتريك. بعض هذه التفاعلات يحول الأمونيا إلى نيتروجين (N₂ ) ، مثل:

4NH₃ + 6NO → 5N₂ + 6H₂O

هذا تفاعل ثانوي يتم تقليله عن طريق تقليل مدة ملامسة مخاليط الغازات للمحفز. [ 6 ] ينتج عن تفاعل جانبي آخر أكسيد النيتروز :

4NH 3 + 4O 2 → 2N 2 O + 6H 2 O (Δ H = −1105  kJ/mol)

محفز البلاتين والروديوم

يُستبدل محفز البلاتين والروديوم بشكل متكرر بسبب تحلله نتيجةً للظروف القاسية التي يعمل فيها، مما يؤدي إلى نوع من التدهور يُعرف باسم " التَقَطُّف" . [ 7 ] الآلية الدقيقة لهذه العملية غير معروفة، وتتمثل النظريات الرئيسية في التدهور الفيزيائي الناتج عن اختراق ذرات الهيدروجين لشبكة البلاتين والروديوم، أو عن طريق انتقال ذرات المعدن من مركز المعدن إلى السطح. [ 7 ]

الأكسدة الثانوية

ثم يتم تبريد أكسيد النيتريك (NO) المتكون في التفاعل المحفز السابق من حوالي 900  درجة مئوية إلى حوالي 250  درجة مئوية ليتم أكسدته بشكل أكبر إلى ثاني أكسيد النيتروجين (NO2 ) [ 8 ] عن طريق التفاعل التالي:

2NO + O 2 → 2NO 2 (Δ H = -114.2  kJ/mol) [ 9 ]

رد الفعل:

2NO 2 → N 2 O 4 (Δ H = -57.2  kJ/mol) [ 10 ]

ويحدث ذلك أيضًا بمجرد تشكل ثاني أكسيد النيتروجين. [ 11 ]

تحويل أكسيد النيتريك

تتضمن المرحلة الثانية امتصاص أكاسيد النيتروجين في الماء، وتُجرى في جهاز امتصاص ، وهو عبارة عن عمود ذي صفائح يحتوي على الماء. يمتص الماء هذا الغاز بسهولة، مما ينتج عنه المنتج المطلوب (حمض النيتريك في صورة مخففة)، مع اختزال جزء منه مرة أخرى إلى أكسيد النيتريك: [ 5 ]

3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO (Δ H = −117  كيلوجول/مول)

يُعاد تدوير أكسيد النيتروجين، ويُركّز الحمض إلى التركيز المطلوب عن طريق التقطير . هذه واحدة فقط من أكثر من 40 تفاعل امتصاص مسجل لأكاسيد النيتروجين. [ 11 ] إذا أُجريت الخطوة الأخيرة في الهواء:

4NO 2 + O 2 + 2H 2 O → 4HNO 3 (Δ H = −348  كيلوجول/مول).

التفاعل الكلي

التفاعل الكلي هو المعادلة الأولى، مضروبة في المعادلة الثانية ثلاث مرات، ومضروبة في المعادلة الأخيرة مرتين؛ جميعها مقسومة على 2:

2NH 3 + 4O 2 + H 2 O → 3H 2 O + 2HNO 3 (Δ H = −740.6  كيلوجول/مول)

بدلاً من ذلك، إذا تم تنفيذ الخطوة الأخيرة في الهواء، فإن التفاعل الكلي هو مجموع المعادلة 1، و2 مضروبة في المعادلة 2، والمعادلة 4؛ وكلها مقسومة على 2.

بغض النظر عن حالة المياه،

NH 3 + 2O 2 → H 2 O + HNO 3 (Δ H = −370.3  kJ/mol)

تاريخ

طُوِّرت عملية أوستوالد في مطلع القرن العشرين على يد ويلهلم أوستوالد ، الذي أثبت إمكانية أكسدة الأمونيا تحفيزيًا إلى أكسيد النيتريك باستخدام محفزات أساسها البلاتين، مما وفر طريقة عملية لإنتاج حمض النيتريك دون الحاجة إلى مصادر النترات الطبيعية. [ 12 ] في عام 1902، حصل على براءة اختراع لهذه العملية، وكشفت التطبيقات الصناعية المبكرة عن أهمية تركيبة المحفز وظروف التشغيل لزيادة الإنتاجية إلى أقصى حد مع الحد من تحلل الأمونيا (وذلك بشكل رئيسي من خلال درجات الحرارة العالية وفترات التلامس القصيرة). [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] وشملت التحسينات اللاحقة استخدام محفزات الشاش المصنوعة من البلاتين والروديوم؛ حيث زادت هذه المحفزات من الإجهاد الميكانيكي، وقللت من فقدان البلاتين، وكانت أكثر استقرارًا على المدى الطويل. [ 16 ] [ 17 ]

لم يصبح تطبيق عملية أوستوالد على نطاق واسع مجديًا اقتصاديًا إلا بعد تطوير عملية هابر-بوش وتطبيقها صناعيًا عام 1913، والتي وفرت مادة أولية من الأمونيا الاصطناعية بكميات كافية لدعم إنتاج حمض النيتريك. [ 15 ] وقد مكّن دمج عملية هابر-بوش خلال الحرب العالمية الأولى ألمانيا من الحفاظ على إنتاج حمض النيتريك رغم الحصار الذي فرضه الحلفاء على واردات النترات التشيلية، مما جعل العمليتين المدمجتين ذواتي أهمية استراتيجية في صناعة المتفجرات وإنتاج الأسمدة. [ 16 ] [ 18 ] وشملت التحسينات المستمرة في تصميم المحفزات بعد الحرب استخدام شاشات تجميع ثانوية تحتوي على البلاديوم أو الذهب، والتي تم إدخالها بعد المحفز الأساسي لاستعادة البلاتين المفقود. [ 16 ] [ 19 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ ثيمان ، مايكل. شيبلر، إريك. ويغاند، كارل فيلهلم (2005). "حمض النيتريك وحمض النيتروز وأكاسيد النيتروجين". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-VCH. دوى : 10.1002/14356007.a17_293 . رقم ISBN 978-3-527-30673-2.
  2. ↑ كرونيك، بيتر إم إتش؛ توريس، مارثا إي. سوسا (2014). الكيمياء الحيوية للمركبات الغازية في البيئة المدفوعة بالمعادن . دوردريخت: سبرينغر. ص 215. ISBN  978-94-017-9268-4.
  3. ↑ "عملية أوستوالد" . أكاديمية Unacademy . تم الاسترجاع في 2024-09-05 .
  4. ↑ كونسيدين، دوغلاس م.، محرر. (1974). موسوعة التكنولوجيا الكيميائية والعمليات . نيويورك: ماكجرو هيل. ص 769-772 . ISBN  978-0-07-012423-3.
  5. 1 2 آلان ف. جونز ؛ م. كليمت؛ أ. هيغتون؛ إ. غولدينغ (1999). آلان ف. جونز (محرر). مدخل إلى الكيمياء . الجمعية الملكية للكيمياء. ص 250. ISBN  0-85404-564-3.
  6. ↑ هاري بوير وايزر (2007). كيمياء الغرويات غير العضوية -: العناصر الغروية . دار ريد بوكس ​​للنشر. ص 254. ISBN  978-1-4067-1303-9.
  7. 1 2 هانيفولد، لينكا؛ نيلسن، علا. كيكشوس، آرني؛ فجيلفاج ، هيلمر (28/04/2005). "إعادة بناء محفزات البلاتين والروديوم أثناء أكسدة الأمونيا" . التحفيز التطبيقي أ : عام . 284 (1): 163– 176. بيب كود : 2005AppCA.284..163H . دوى : 10.1016/j.apcata.2005.01.033 . ISSN 0926-860X . 
  8. ↑ أفولايان أيوديل س (7 ديسمبر 2007). "تصميم محطة لإنتاج 20000 لتر يوميًا من حمض النيتريك من الأمونيا والهواء (باستخدام عملية أوزوالد)" (ملف PDF) . مستودع فوتمينا . تاريخ الاسترجاع: 24 مايو 2024 .
  9. ^ غراندي، كارلوس أ. أندريسن، كاري آن؛ كافكا، ياسمينا ه.؛ والر، ديفيد. لورينتسن، أود آرني؛ أوين، هالفور؛ زاندر، هانز يورغ. بولستون، ستيفن. غارسيا، سونيا؛ مديشية ، دينا (2018-08-08). "تكثيف العمليات في مصانع حمض النيتريك عن طريق الأكسدة الحفزية لأكسيد النيتريك" . أبحاث الكيمياء الصناعية والهندسية . 57 (31): 10180–10186 . دوى : 10.1021/acs.iecr.8b01483 . ردمك 0888-5885 . 
  10. ↑ "21.1 تأثير درجة الحرارة على توازن NO2/N2O4" . chemed.chem.purdue.edu . 24 مايو 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 مايو 2024 .
  11. 1 2 ليو، يوندا؛ بلوك، ديفيد؛ برانا-موليرو، فرانسيسكو (2014-01-01)، "محاكاة ثابتة وديناميكية لبرج امتصاص أكاسيد النيتروجين بناءً على نموذج تفاعل هجين حركي-توازني" ، في إيدن، ماريو ر.؛ سيرولا، جون د.؛ تاولر، جافين ب. (محررون)، الهندسة الكيميائية بمساعدة الحاسوب ، وقائع المؤتمر الدولي الثامن حول أسس تصميم العمليات بمساعدة الحاسوب، المجلد 34، إلسيفير، الصفحات 363-368 ، doi : 10.1016/b978-0-444-63433-7.50045-6 ، ISBN   978-0-444-63433-7تم الاطلاع عليه بتاريخ 24-05-2024
  12. ↑ كينت، جيمس ألبرت؛ ريجل، إميل ريموند؛ ريجل، إميل ريموند (2006). دليل كينت وريجل للكيمياء الصناعية والتكنولوجيا الحيوية (الطبعة الحادية عشرة / تحرير جيمس أ. كينت ). نيويورك: سبرينغر. ISBN  978-0-387-27842-1.
  13. ↑ GB 190200698 ، أوستوالد، فيلهلم ، "تحسينات في تصنيع حمض النيتريك وأكاسيد النيتروجين"، نُشر في 9 يناير 1902، وصدر في 20 مارس 1902 
  14. ↑ GB 190208300 ، أوستوالد، فيلهلم ، "تحسينات في صناعة حمض النيتريك وأكاسيد النيتروجين وما يتعلق بها"، نُشر في 18 ديسمبر 1902، وصدر في 26 فبراير 1903 
  15. 1 2 سميل، فاتسلاف؛ هابر، فريتز؛ بوش، كارل (2004). إثراء الأرض: فريتز هابر، كارل بوش، وتحول إنتاج الغذاء العالمي . كامبريدج، ماساتشوستس. لندن: معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 978-0-262-69313-4.
  16. 1 2 3 فايسرميل، كلاوس؛ أربي، هانز يورغن، محرران. (2003). الكيمياء العضوية الصناعية ( الطبعة الرابعة). فاينهايم: وايلي-VCH. رقم ISBN  978-3-527-30578-0.
  17. ↑ هاوسكروفت، كاثرين إي. (2018). الكيمياء غير العضوية ( الطبعة الخامسة). هارلو، إنجلترا؛ نيويورك: بيرسون. ISBN  978-1-292-13414-7.
  18. ↑ ترافيس، أ.س. "صناعة النيتروجين الاصطناعي في الحرب العالمية الأولى". التراث الكيميائي ، 6 ، 2، 1988، ص 1-11.
  19. ↑ بارثولوميو، كالفن هـ.؛ فاروتو، روبرت ج. (2006). أساسيات العمليات التحفيزية الصناعية ( الطبعة الثانية). هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي. ISBN  978-0-471-73007-1.