암모니아 합성의 역사

목차

1. 공중 질소의 고정을 위한 추진력

2.암모니아 합성에 대한 Haber의 업적

3.Haber와 Le Rossignol의 상압에의 연구

4.고압에서 Haber와 Le Rossignol의 연구

5.독일 바깥의 개발

6. 암모니아 기술의 발전

본문내용

을 가진 팀이 있었으나 전쟁이 끝날 때까지 어느 곳에서도 생존 능력이 있는 공정의 근처까지도 진척되지 못했다. 미국에서는 정부가 Haber와 cyanamide공정에 의한 암모니아 합성에 대한 연구를 지원했지만 이 지역에서 첫 번째로 진전을 보인 것은 상업적인 조직이었다. Long Island에 있는 General Chemical Company가 공정은 BASF의 것과 비슷하지만 다른 촉매를 사용하여 작고 실험적인 촉매에 의한 암모니아 합성 설비를 개발했다.
미국이 참전한 후에 질소 공정은 군사적 통제 아래로 들어가서 두 공장이 계획 되었는데 하나는 General Chemical공정에 기반을 둔 것이었고 다른하나는 cyanamide공정에 기반을 둔 것이었다. 그 당시에 다른 질소 고정법과 비교된 Haber공정의 경제성이 독일 바깥 에서는 알려져 있지 않았기 때문에 cyanamide공정이 여전히 고려되었던 것이다. 촉매를 이용하는 공장은 알라바마주 Muscle Shoals에 세워졌으나 적은 양의 암모니아밖에 생산 하지 못하였으므로 성공이라고 할 수 없었다. 이 공정은 대규모로 확장되기에는 충분히 잘 개발된 것이 아니었고 촉매는 매우 빨리 성능을 잃어버린다는 것이 밝혀졌다. 이 공정은 뒷날 상업적 규모로 개발되었는데 활성이 훨씬 더 좋은 촉매가 원래의 것보다 더 오래 견디었으며 첫 번째 성공적인 공장이 뉴욕주 Syracuse에서 1921년 가동을 시작하였다. 그러는 동안 고정 질소 연구 실험실이라는 연구 시설이 당국에 의해 건립되었으며 이로서 미국 암모니아 산업의 개발을 위한 토대가 마련되었다.
Haber공정은 1920년대 중에 여러나라에서 여러 가지 수정된 형태로 세워졌다. 그 공정은 초기의 질소 고정법에 비하면 기술적으로 큰발전이 있음을 나타내 주었다. 새로운 촉매 공정의 고정 질소 톤당 에너지 소요량은 다른 공정들에 비하면 상당히 작았고, 그래서 전기 아크와 cyanamide 기술을 계속 개발하는 것은 중지 됐다.
6. 암모니아 기술의 발전
1920년대에서 1950년대 사이에 암모니아 산업에서 일어났던 주된 변화는 규모에 관련된 것이었다. 그 공장들이 기본으로 한 기술은 원래 BASF가 개발했던 것에서 거의 바뀌지 않았으나 전세계 암모니아 생산 용량은 증가하였다. 많은 수의 공장이 세워졌으며 기존 공장들은 보통 비슷한 장치들을 나란히 추가 설치함으러서 확장되었다. 그러나 1969년대 이후 암모니아 생산은 기숙 개선의 결과 큰 변화를 겪었다. 장치의 이용을 최대로 하기 위해 숨낳은 상호 연결 구조를 가진 복수의 병렬 흐름대신에 새로운 공장들은 투자비와 조업비가 낮으며 크고 믿을 수 있는 단일 흐름으로 이루어진다는 개념에 기초를 둔 것들이었다. 여기에 덧붙여 공장은 별연관없이 단순히 연결된 개개의 장치로 구성되어 있는 것이라고 생각하는 대신 모든 부분을 가장 효과 적이면서 효율적으로 활용하기 위하여 공장 전체를 통합하는 방법이 실행되었다. 1950년대 까지는 수소를 수성가스 반응을 거쳐 생산하는 석탄에 기반을 둔 공장이 계속 세워졌으나 1950년대에 들어와서는 공급원료로 천연 가스에 기반을 둔 공장이 미국에서 가동을 사직했다. 메탄 수증기 개질 공정은 1920년대에 BASF에서 연구가 되었으며 1930년대에 I.C.I에 더욱 개발된 공정인데 이 공정에 의해 공장 투자비를 상당히 감소기킬수 잇었다. 또한 1962년 Billingham에 있는 I.C.I.에 의해 개발한 공정에 의해 경나프타에서 합성가스를 생산할 수 있게 되었다. 천연가스 수증기 개질 공정 덕분에 단순해진 공장이 이 공정에 의해 천연가스가 손쉽게 공급되기 어려운 것에도 세워질 수 있었다. 탄산가스를 제거하기 위한water-wash method을 그 목적에 훨씬 더 효과적인 탄산칼륨이나 모노 에탄올아민 수용액을 사용하는 공정으로 대체함으로써 더욱 단순화가 이루어졌다. 저온 수성가스 전환 촉매를 개발하고 메탄화 반응기를 설치함으로써 일산화 탄소 제거를 위하여 구리 용액을 사용하는 단계를 없애는 것이 가능해졌다. 한편 고압 용기 기술이 발전됨에 따라 더욱더 큰 합성전화기의 사용이 가능해졌다. 그러나 공장의 공학적 측면에서 가장 중요한 발전은 대형 원심 압축기를 개발한 것인데 원심 압축기는 전에는 왕복압축기가 해내던 임무를 수행해 낼 수 있다. 원심 압축기는 효율이 떨어지긴 하지많 가격이 더 싸고 공산을 적게 차지하며 압축기보다 더 신뢰할 수 있고 보수가 덜 필요하며 더 중요한 것은 공장의 다른곳에서 생산되는 스틱을 이용하여 운전될 수 있다는 것이다. 통합 공정 설계의 개념은 Kellog Campany에 의해 개척되었는데 세계에서 첫 번째로 각각 하루 900톤을 생산하는 3개의 공장이 billingham에 있는 I.C.I.에 세워졌다. 이와 같은 공정 때문에 오래되고 작은 공장은 폐쇄되게 뵈었다. 첨부된 공정도는 석탄에 근거하는 옛날 공정과 천연가스에 근거하는 새로운 공정을 비교하여 보여준다. 옛날 공장은 전기와 스팀을 공급하기 위하여 발전소가 필요한 반면 새공장에서는 압축기를 돌리는데 필요한 스팀이 공장자체에서 생산되기 때문에 발전소가 필요없다.
첨부된 그라프은 질소 1톤을 고정시키는 비용을 시간의 함수로 보여준다. 전기 아크 공정은 고정질소 1톤당 6800THERMS이라는 막대한 에너지가 뜬다. cyanamide공정역시 현대적인 암모니아 공장보다 4비이상 효율리 낮은 암모니아 톤당 1800 therms가 요구된다. 단일 흐름 공장이 출현함으로써 이루어진 변혁은 그라프에 나타난 효율의 급격한 변화를 보면 명백하다 그이후 그 곡선은 실제로 달성할 수 있는 최소치에 계속 접근해 왔다. 그러나 1979년대에는 이에 수반하여 장치의 투자비용이 서서히 상승하였다. 1982년 새로운 에너지 절감형 공정이 I.C.I. Agricultural Division에 의해 공표되었는데 그것은 암모니아 1톤을 만드는데 드는 에너지 소비량이 실제적 최소치에 더욱 가까이 접근하도록 했다.
촉매를 이용한 첫 번째 암모니아 공장이 암모니아를 생산한 이래로 70년이 지나갔지만 그 공정에 대해 주목할 만한 개선을 해나가는 것이 아직도 가능하다.

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암모니압,   합성,   역사,   독일,   기술