Case: Ammoniak – NH3 – bushreaktor

Baggrund

Ammoniak er et af de kemikalier, hvoraf der fremstilles mest i verden. Årsproduktion er over 150 mio tons, hvoraf langt størstedelen går til fremstilling af kunstgødning. Fremstillingen af ammoniak kræver en forholdsvis stor varmetilførsel, og mere end 1% af verdens samlede
energiforbrug går derfor til fremstillingen af ammoniak.

Råmaterialerne til industriel fremstilling af ammoniak, NH3, er dinitrogen (kvælstof), N2, og dihydrogen (brint), H2. N2 fås fra den atmosfæriske luft, som indeholder 79 % N2. H2 fremstilles industrielt ved reaktion mellem vand og enten kul eller kulbrinter fra olie og naturgas, ved høj temperatur (8-900 grader C). Elektrolyse af vand bruges af økonomiske årsager kun begrænset.

Reaktionsskemaet for NH3 -fremstillingen ser sådan ud:
N2 + 3 H2 → 2 NH3 + varme

I praksis opnås den største omdannelsesgrad af udgangsstofferne ved lav temperatur; det tager bare urealistisk lang tid. Ved høj temperatur er omdannelsesgraden mindre, men slutresultatet opnås hurtigere. En reaktionstemperatur på ca. 450 grader C har vist sig at være et tilfredsstillende kompromis mellem disse to modsat-rettede situationer. Meget forøget omdannelsesgrad opnås yderligere ved at lade reaktionen foregå under højt tryk, 200-1000 bar (dobbeltpilene angiver, at der er tale om en ligevægtsreaktion; i en gymnasiekemibog kan man læse mere om NH3 -syntesen og forskydning af kemiske ligevægte). Men selv ved atmosfæretryk (ca. 1 bar) vil der være et tilstrækkeligt udbytte af NH3 til, at man kan detektere dette ved dets karakteristiske lugt (kendt fra salmiak). Med fugtigt universalindikatorpapir kan det ses at der opnås en tydelig basisk reaktion. Dette betyder, at fremstilling af NH3 på lille skala kan udføres under skoleforhold. Men når der, som her, er tale om kemieksperimenter, der vedrører det virkelige liv, er det ikke ”2-minutters forsøg”.

Mange udviklingslande har ikke en effektiv udnyttelse af deres landbrugsjord, da de ikke bruger ammoniak som gødning. Dette skyldes flere ting, såsom mangel på ressourcer til at købe kunstgødning, manglende forsyning eller viden.

 

Opgave

I skal udvikle en reaktor til femstilling af NH3 der passer til en landsby. Den skal være billig, stabil og let betjent. ‘Ingredienserne’ til den fremstillede NH3 udvindes af den luft vi indånder og almindeligt vand, men kræver energi og de rette betingelser – her indgår katalysatorer.

 

Opstillinger

Forslag til opstillinger kan findes i Gunnar Cederbergs bog om katalysatorer.

Related Indlæg