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작성자 : ㅇㅇ고정닉
애국자 하버씨의 하버-보슈공정
비료는 한때 매우 귀중한 자원이었습니다. 과거에는 가축 분뇨나 인분, 일부 초석 퇴적물, 구아노로 덮인 몇몇 보물섬들이 주요 공급원였습니다. 결국 식량생산은 한정적이었고 기근은 역사에서 매번 따라다니는 요소였습니다.그러나 1909년 애국심으로 넘치는 프리츠 하버는 오스뮴 촉매와 고압을 사용해 공기 중의 질소를 수소를 반응시켜 한 방울씩 암모니아를 만들어 냈습니다.질소는 대기의 78%를 차지하지만 매우 안정적이어서 반응을 일으키는데에는 높은 압력과 촉매가 필요합니다. 수소는 조금 다른 곳에서 구할 수 있습니다. 암모니아는 지구상의 생명을 지탱하는 질소 순환의 기초를 이룹니다. 하지만 암모니아는 그 자체로 수많은 산업 공정의 원료이기도 하고... 특히 암모니아로 폭약의 기초 물질을 만들 수 있습니다. 당신이 칠레나 인도의 대규모 초석 매장지를 장악한 사악한 영미 자본가나 혹은 유대놈들하고 상대로 하고 있다면 이는 매우 중요합니다. 하버공정으로 만든 암모니아는 촉매 산화를 거쳐 질산이 되고 질산은 질산염 기반 폭약으로 사용할 수 있기에 비료를 넘어 다양한 쓸모를 자랑합니다.그러나 하버 공정은 수율이 낮고 값비싼 촉매가 들어가는 공정으로 필수적일 수 있으나 그렇게 경제적이지 않습니다.여기서 칼 보슈가 나옵니다.칼 보슈는 고압 산업 화학의 선구자이자 아버지로서 그는 하버공정을 대규모 산업규모로 즉 하버-보슈 공정으로 발전 시켰습니다. 매우 높은 압력과 온도를 버티면서도 가스가 촉매에 최대한 접촉하는 반응기를 개발 했고 이를 통해 암모니아 생산량을 극대화 했습니다.1913년, BASF의 오파우 공장에서 이 공정은 최초로 산업화에 성공 했고 1914년에는 하루에 20톤의 암모니아를 생산했습니다. 하버가 실험실 규모에 시단당 125ml에 암모니아를 합성한것을 비교하면 이것은 말 그대로 산업이었습니다.이 최초로 산업화된 공정에는 200기압, 섭씨 500도라는 고온 고압 환경에서 다단계 촉매층에 접촉하고 응축분리 그리고 열 교환과 재순환 공정 등 현재 사용되는 공정의 대부분을 모두 도입 했습니다. 일반적으로 공정은 가장 먼저 수소, 질소(공지 분리를 통해)을 얻고 불순물(황 화합물, 이산화탄소 등 기타)을 제거한 다음 반응기에 이둘을 반응 시켜 암모니아를 생성합니다. 이 과정에서 촉매층을 다단으로 구성해 여러 번 접촉하도록 해 전환율을 높혀 줍니다. 반응 후 생긴 가스는 반응한 암모니아와 반응 못한 질소-수소가 섞여 있지만 암모니아는 끓는 점이 -33도로 비교적 쉽게 액화되기에 이를 통해 분리할 수 있습니다. 미 반응 가스는 다시 반응기로 되돌려 재순환 즉 전환율을 높입니다. 기타 효율을 높이기 위해서 열교환기를 통해 반응 후 뜨가운 혼합가스의 열을 뽑아 미리 가스를 예열하는 데 사용하거나 냉각/재순환 과정을 몇번으로 나누어 열-물질 흐름을 제어하는 등 방식을 거칩니다. 마지막 문제는 값비싼 오스뮴 촉매였고 여러 촉매가 실험되었습니다. 우라늄도 효과적이었지만.. 결국은 저렴하고 효율적인 철 기반 촉매가 현재까지 사용됩니다.공정이 개발한지 수십년도 안되어 우리는 반응기, 질소, 촉매를 찾았고.. 마지막 수소는 대체로..오늘날 수소는 보통 그렇게 클린한 녹색 수소가 아닙니다. 대부분 증기 매탄개질이라는 과정에서 얻는데 메탄(보통 천연가스)을 700~1,000도씨에 약 25bar 환경에서 고온의 (수)증기와 촉매(보통은 금속 그중 니켈 기반 촉매) 사이에 반응해 수소, 일산화탄소 그리고 약간의 이산화탄소를 생성하는 과정(이를 보통 압력 스윙 흡착(PSA)같은 분리기술로 고농도의 수소를 정제)을 거칩니다. 현재 전세계에 가장 널리 사용되는 수소의 생산 방법입니다. 메탄.. 메테인이 충분치 않다면 독일이 그렇듯 석탄을 가스화하는 과정에 나오는 합성가스를 통해서 생산할 수도 있습니다. 현대의 하버-보쉬 공정은 대부분 완성된 형태입니다. 압력은 150~300bar를 유지하며(너무 낮으면 수율이 떨어지고 너무 높으면 압력 유지를 위한 비용이 발생) 온도는 400~500도 그리고 질소와 수소는 1:3 비율이 이상적입니다. 다만 질소는 공기 중의 무궁무진하지만 수소가 실질적으로 가성비와 한정요인으로 자리잡아 있습니다.하버-보슈 공정으로 만든 암모니아는 염화칼륨과 인산염 암석과 결압해 수많은 질소 비료의 원재료로서 수십억 인구를 현재 먹여살리고 있습니다.그러나 그에게는 또다른 이야기가 있습니다. 그는 암모니아를 바탕으로 한가지 무기를 만들 었습니다. 바로 염소가스 계열 무기로서 그는 이를 무기화하고 배치하는데 핵심적인 역할을 담당했습니다. 그는 서부전선 그리고 아내의 자살후 동부전선에를 이를 개발-배치 및 사용을 지휘 했습니다.프리츠 하버와 칼 보슈의 유산은 수십억 인구를 먹여살린다고 할 수 있지만 그 업적에는 약간의 염소 냄새가 납니다.
작성자 : ㅂㄴㅅㄱㄱ고정닉
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