Tổng hợp Ammonia (Amoniac) – Quy trình Haber–Bosch

Amoniac ($NH_3$) là một trong những loại hóa chất được tổng hợp nhân tạo với sản lượng lớn nhất thế giới, là cột trụ của ngành công nghiệp phân bón (sản xuất Ure, DAP, Amoni Nitrat). Quy trình Haber-Bosch (phát minh từ đầu thế kỷ 20) đến nay vẫn là công nghệ độc tôn để "bắt" phân tử Nitơ trơ lỳ trong không khí kết hợp với Hydro tạo thành Amoniac.

1. Chuẩn bị hỗn hợp khí lý tưởng (Front-End)

Mục tiêu của khâu chuẩn bị (Front-end) là tạo ra một dòng khí nguyên liệu cực kỳ tinh khiết chứa $N_2$ và $H_2$ theo đúng tỷ lệ thể tích 1:3, đồng thời loại bỏ sạch sẽ các tạp chất chứa Oxy (như $O_2, CO, CO_2, H_2O$) vì chúng là "chất độc" làm chết xúc tác tổng hợp Amoniac.

• Reforming Sơ cấp & Thứ cấp: Khí tự nhiên ($CH_4$) phản ứng với hơi nước ở Lò Reforming sơ cấp thu $H_2$ và $CO$. Khí tiếp tục đi vào Reforming thứ cấp (Secondary Reformer), tại đây một lượng Không khí nén được tính toán chính xác được phun vào đốt cháy một phần hỗn hợp, vừa cung cấp nguồn nhiệt năng khổng lồ đẩy phản ứng Reforming hoàn tất, vừa để lại chính xác lượng Nitơ ($N_2$) cần thiết.
• Chuỗi Shift CO (Water-Gas Shift): Khí $CO$ sinh ra là chất độc, cần được ép phản ứng thêm với hơi nước qua hai tháp (Nhiệt độ cao - HTS và Nhiệt độ thấp - LTS) để biến thành $CO_2$ dễ tách hơn, đồng thời thu thêm một lượng lớn $H_2$.
• Tách CO2 và Methane hóa (Methanation): $CO_2$ được rửa sạch bằng dung dịch Amine hoặc Benfield (K2CO3). Tuy nhiên, lượng vết (trace amount) $CO$ và $CO_2$ còn sót lại (vài ngàn ppm) vẫn có khả năng phá hủy lớp xúc tác. Giải pháp an toàn cuối cùng là đưa chúng qua tháp Methanation, dùng xúc tác Ni ép $CO/CO_2$ phản ứng ngược lại với $H_2$ tạo thành khí $CH_4$. Khí $CH_4$ trơ đối với xúc tác Amoniac, chỉ đóng vai trò như một khí trơ pha loãng trong vòng tổng hợp.

2. Động học của Vòng Tổng hợp (Synthesis Loop)

Phản ứng $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ là tâm điểm của kỹ thuật hóa học áp suất cao. Phân tử $N_2$ có liên kết ba cực kỳ bền vững ($225 kcal/mol$), do đó năng lượng hoạt hóa để cắt đứt liên kết này là rất lớn. Quá trình này yêu cầu áp suất cực cao (150 - 250 bar) để ép cân bằng phản ứng dịch chuyển về phía tạo thành thể tích nhỏ hơn (Amoniac).

Xúc tác Magnetite (Sắt xốp - Iron Catalyst): Bề mặt tinh thể sắt ($\alpha-Fe$) đã được khử từ quặng Magnetite pha trộn chất xúc tiến ($K_2O, Al_2O_3, CaO$) có khả năng làm suy yếu liên kết ba của $N_2$ nhờ việc cho/nhận điện tử với bề mặt kim loại. Các công nghệ tân tiến nhất của KBR hoặc Casale còn sử dụng xúc tác Ruthenium (Ru) trên nền Than hoạt tính, cho hoạt tính phản ứng gấp chục lần Sắt, cho phép nhà máy hạ áp suất vận hành xuống chỉ còn dưới 100 bar, tiết kiệm chi phí nén điện năng khổng lồ.

Tương tự quy trình Methanol, vì độ chuyển hóa mỗi lượt chỉ đạt khoảng 15-20%, khối khí ở 200 bar sục qua thiết bị làm lạnh sâu để Amoniac hóa lỏng rơi xuống, phần khí $N_2/H_2$ chưa phản ứng lại được máy nén hồi lưu đẩy quay vòng trở lại lò phản ứng vô tận.

3. Kỷ nguyên của Green Ammonia (Amoniac Xanh)

Do quy trình Reforming khí tự nhiên thải ra lượng $CO_2$ khổng lồ (khoảng 1.8 tấn $CO_2$ cho mỗi tấn $NH_3$), Amoniac đang bị áp lực "xanh hóa" dữ dội. Trong nhà máy Green Ammonia, toàn bộ Cụm Front-end khổng lồ đầy ống khói sẽ biến mất. Nitơ tinh khiết được lấy trực tiếp từ thiết bị Tách Khí Không Khí bằng điện (ASU - Air Separation Unit). Hydro được lấy từ các tháp Điện phân nước (PEM hoặc Alkaline Electrolyzers) khổng lồ chạy 100% bằng năng lượng tái tạo. $NH_3$ Xanh đang được nhắm tới làm chất mang Hydro (Hydrogen Carrier) lý tưởng để vận chuyển năng lượng xuyên đại dương do dễ hóa lỏng (-33°C) hơn nhiều so với Hydro lỏng (-253°C).