암모니아 생산을 위한 Haber-Bosch process

암모니아 하면 딱 떠오르는 반응은 하버 보쉬 공정입니다.
(Haber-Bosch Process)
아마도 인류가 이렇게 발전할 수 있었던 기반이라고 말을 해도 무리가 없을 겁니다. 암모니아를 질소로부터 합성하여 대략 88% 이상을 비료로 사용하기 때문입니다.

최근 들어서는 수소경제로 암모니아가 많은 각광을 받고 있습니다. 전기에너지는 저장이 어렵지만 수소는 저장이 가능하기 때문에 수소를 운반하는 carrier로 암모니아가 주목을 받고 있습니다.

다른 carrier도 있습니다. 잘 알려진 MCH (methyl cyclo hexane)는 톨루엔에서 탈수소화가 되어 수소를 방출하게 됩니다. 하지만 단위 무게 당 수소의 함량은 암모니아가 가장 높고, 유해물질이 없다는 장점 때문에 organic material보다는 암모니아가 선호됩니다.

암모니아를 분해하는 것도 중요하지만 오늘은 합성하는 반응에 대해서 소개하겠습니다.

하버 보쉬 공정

아래 그림과 같은 프리치 하버라는 사람이 만든 반응입니다.

wikipedia

질소와 수소만 넣어서 암모니아를 생성합니다.
촉매 반응으로 생산을 하는데 알려진 바로는 BASF 사의 철 촉매를 사용한다고 합니다.

반응식을 보면 질소 1몰에 수소 3몰이 반응합니다. 르샤틀리에 원리에 따라 압력이 증가하면 암모니아가 더 많이 생성됩니다. (압력이 증가하면 해소하는 방향으로 반응이 진행)

엔탈피가 음수값을 가지기 때문에 발열반응이라고 할 수 있겠습니다. 결국 온도가 낮을수록 압력이 클수록 암모니아가 많이 생성된다고 할 수 있습니다.

레이먼드 창의 일반화학

산업 플랜트 조건은 왜 500도, 500~1000 atm에서 운전하죠?

발열반응이면 온도가 낮아야 하지만 실제 상업 공장은 500도에서 운전합니다. 왜 그럴까요?

쉽게 말해서 온도가 높으면 반응 속도가 빨라집니다. 온도가 높아짐에 따라 암모니아의 생성 속도가 빨라지기 때문에 빨리 생성하면 낮은 수율을 극복할 수 있다고 보는 것이지요.

이해가 되나요?

추가적으로 산업 공정에서는 반응 혼합물이 꾸준하게 제거되기 때문에 평형 상태에 도달하지 않습니다.