תהליך הבר-בוש

תהליך הבר-בוש (באנגלית: Haber–Bosch process) הוא תגובת קיבוע של גז חנקן עם גז מימן, על שטח פנים של זרז מבוסס תחמוצת ברזל. התהליך משמש לייצור תעשייתי של אמוניה והוא קרוי על שמם של פריץ הבר וקרל בוש, אשר המציאו ופיתחו את השיטה.

על תהליך ייצור האמוניה קיבל פריץ הבר את פרס נובל לכימיה לשנת 1918. כ-13 שנים אחר כך, ב-1931, קיבל שותפו, קרל בוש פרס נובל בכימיה, על תרומתו לפיתוח שיטות עבודה בתנאי לחץ גבוה, במהלך ייצור האמוניה בתהליך תעשייתי.

חשיבותו של התהליך

אף שכ-78.08% מן האוויר בכדור הארץ מורכב מחנקן, כל מולקולה של חנקן מחזיקה את האטומים בקשר קוולנטי משולש חזק מאוד, מה שהופך אותו יחסית לבלתי נגיש. תהליך הבר-בוש, שפותח בראשית המאה ה-20, הצליח לרתום את שפע החנקן באטמוספירה לתהליך ייצור האמוניה, שהיא חומר גלם מהחשובים ביותר בתעשייה הכימית.

האמוניה משמשת לייצור דשנים חנקתיים, שלהם חשיבות אדירה בחקלאות העולמית. אומדנים מראים כי חומרי דשן המיוצרים מאמוניה באמצעות תהליך הבר-בוש אחראים לקיום שליש מאוכלוסיית העולם. עוד עולה, כי מחצית מהחלבונים המצויים בבני אדם יוצרו בעזרת חנקן שקובע באמצעות התהליך, והמחצית השנייה – מחנקן שקיבעו חיידקים וארכאונים.

האמוניה היא חומר הגלם העיקרי בייצור חומצה חנקתית, שלה שימושים רבים, בעיקר בייצור של חומרי נפץ, לשימושים אזרחיים וצבאיים.

לפני גילוי תהליך הבר-בוש, היה קשה לייצר אמוניה בתהליכים תעשייתיים, ועל כן הייצור הסתמך כמעט בלעדית על כרייה של מלחי ניטראט (מלחים חנקתיים) שתפוצתם הנמוכה הקשתה מאוד על השימוש באמוניה לצרכים המודרניים השונים. לפי הערכת ואצלב סמיל, שימוש בתהליך מאפשר לייצר מזון לכשליש מאוכלוסיית כדור הארץ^[1].

התגובה הכימית

Oppau (כ-3 ק"מ מלודוויגסהאפן, גרמניה) - מפעל האמוניה הראשון בעולם, במהלך בנייתו, 1913. המפעל הוקם ותופעל על ידי חברת BASF.^[2]

עמודה להנזלת אוויר במפעל מודרני

התגובה הכימית ליצירת אמוניה בתהליך זה כוללת תגובה של מימן (H₂) וחנקן (N₂), ביחס מולי של שלוש מולקולות מימן לכל מולקולה של חנקן. התגובה היא אקסותרמית מאוד, עם שינוי אנתלפיה של 45.8- קילוג'אול למול אמוניה (NH₃).

משוואת התגובה:

N₂ + 3H₂ → 2 NH₃

ΔH°= −91.8 kJ => ΔH° = −45.8 kJ·mol⁻¹

הכנת המגיבים

מפעל מודרני (של חברת Terra Nitrogen U.K) לייצור אמוניה ודשנים חנקתיים.

כל אחד מהמגיבים המשתתפים בתגובה חייב להיות בדרגת ניקיון גבוהה, זאת כדי למנוע תגובות לא רצויות שעשויות להתרחש בריאקטור הכימי, וכדי למנוע זיהום של הזרז העלול להביא לפגיעה באופן פעילותו.

חנקן: את גז החנקן מכינים על ידי הנזלה (Liquefaction) של אוויר. גז החנקן הוא חומר הגלם הזול ביותר בתהליך, שכן הוא מצוי באטמוספירת כדור הארץ בשיעור של כ-78.08%, אך יש להפרידו מחלקיקים מרחפים, מגזים אחרים ומשאריות מים שנמצאות באוויר בצורת אדים. הפעולה מבוצעת בכמה שלבים: תחילה, שואבים את האוויר דרך מערכות סינון גדולות שתפקידן להסיר חלקיקי אבק ופיח. בהמשך, האוויר עובר תהליכי קירור הדרגתיים במטרה להנזיל את הגזים השונים וכך לבודד את החנקן. במהלך ההנזלה, מתקבלים תחילה מים, ואחר כך: פחמן דו-חמצני בטמפרטורת (78-) מעלות צלזיוס מתחת לאפס, חנקן ב-(196-), חמצן ב-(218-) וארגון ב-(189-). בתהליך זה מתקבלים גזים ברמת טוהר גבוהה יחסית, והם ניתנים לתהליכי טיהור נוספים בהעברתם דרך ממברנות מתאימות. בכל הגזים נעשה שימוש מסחרי: הפחמן הדו-חמצני עשוי להימכר לתעשיית המזון בה ישמש בתהליכי הייצור של משקאות תוססים; החמצן יכול להימכר לתעשיות המתכת והכימיה האחרות, או לצרכים רפואיים; הארגון נועד למפעלים אשר בתהליכי הייצור שלהם יש צורך ביצירת אטמוספירה אדישה כימית (אינרטית), וכן ליצרני נורות ליבון שם ישמש כגז מילוי, ועוד.
מימן: כמעט בכל מפעלי האמוניה בעולם, ייצור המימן נעשה על ידי תגובה של גז מתאן (CH4) עם קיטור (H2O), על פני זרז המבוסס על ניקל, בטמפרטורות גבוהות של 700 עד 1100 מעלות צלזיוס, ולא באמצעות אלקטרוליזה של מים - אף שתגובת האלקטרוליזה מספקת גז מימן ברמת טוהר גבוהה יותר, שאינה דורשת שלבי ניקוי וטיהור מקדימים או נוספים. הסיבה לכך היא כלכלית, כיוון שתהליך האלקטרוליזה דורש שימוש באנרגיה חשמלית רבה. כאמור, בתגובת גז המתאן עם הקיטור, מתקבלות מולקולות מימן (H2) ופחמן חד-חמצני (CO). בהמשך, הפחמן החד-חמצני מגיב עם קיטור נוסף עד לקבלת פחמן דו-חמצני (CO2). משוואות התגובה:

$\ CH_{4(g)}+H_{2}O_{(g)}\rightarrow CO_{(g)}+3H_{2(g)}$ שלב זה הוא מאוד אנדותרמי (ΔH_r= 206 kJ/mol). ובהמשך:

$\ CO_{(g)}+H_{2}O_{(g)}\rightarrow CO_{2(g)}+H_{2(g)}$ שלב זה הוא מעט אקסותרמי (ΔH_r= -41 kJ/mol).

תהליכים אלה הם מהיקרים ביותר בייצור האמוניה, ולמעשה העלות הסופית לצרכן עבור האמוניה תלויה רבות במחיר חומר הגלם לייצור המימן - כלומר, תלויה בגז טבעי (שהוא המקור הכמעט בלעדי לגז המתאן) או במחירי דלקים מאובנים אחרים כגון נפט ופחם, מהם ניתן גם להפיק מתאן, בתהליכי זיקוק ופיצוח כימיים. תהליך ייצור המימן מהגז הטבעי, דורש שלבים מקדימים של טיהור הגז מתרכובות גופרית שעשויות להסב נזקים גדולים לזרזים ולפגיעה קשה ביעילות התגובה.

תנאי התגובה

התגובה ליצירת האמוניה מתרחשת בריאקטור בו המגיבים נמצאים בלחץ של 150 עד 300 אטמוספירות, ובטמפרטורה של 400 עד 500 מעלות צלזיוס. המגיבים מוזרמים בריאקטור בארבע תחנות ביניים המכילות זרזים. בכל תחנה מומרים כ-15% מהמגיבים לאמוניה, כך שבסיום התהליך כ-97% מהמגיבים הפכו לתוצר הסופי. מגיבים שלא הגיבו, ממוחזרים שוב אל הריאקטור.

הזרזים

הזרזים הנפוצים ביותר בתגובה מבוססים על תחמוצות ברזל (Fe₃O₄ ו-FeO) המועשר באשלגן חמצני (K₂O), סידן חמצני (CaO), צורן דו-חמצני (SiO₂) ואלומינה (Al₂O₃). לעיתים קרובות נעשה שימוש גם בזרזים מבוססים על רותיניום וונדיום.