암모니아 생산 공정 (Haber-Bosch Process)

암모니아는 산업 전반에 걸쳐서 사용되는 매우 중요한 화학물질로서 비료나 클리너, 냉매로 사용되며, 관련하여 암모니아를 생산하기 위한 다양한 공정에 대해 간단히 살펴보고 이중 가장 보편화된 공정인 Haber-Bosch process에 대해 요약해 보았다.

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Applications of Ammonia

암모니아는 다양한 목적으로 사용된다.

• Fertilizers: 암모니아는 비료의 중요한 성분으로 식물 성장에 중요한 질소를 공급해주는 source임.
• Refrigeration: 암모니아는 냉동기내 매우 효율적인 냉매로 사용됨.
• Nitric acid (HNO3) production: 폭약이나 플라스틱, 의약 생산에 사용되는 질산은 암모니아와 산소로부터 만들어짐.
• Food processing: 암모니아는 박테리아를 죽이고 식품을 신선하게 유지할 수 있도록 식품처리 공정에서 방부제로 사용됨.
• Cleaning and sanitizing: 암모니아는 소독약이나 살균제로 사용됨.
• Organic chemistry: 암모니아는 아닐린이나 암모늄 클로라이드와 같은 유기물 생산에 시약으로도 사용됨.

 

수소처럼 암모니아에도 color를 부여하여 생성 과정에서 화석연료 사용이나 신재생에너지 사용 혹은 온실가스 배출에 따라 구분하며 수소 색깔 부여와 유사하다. (역시 그린이 최종 지향점임.)

 

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Ammonia Production Processes

Haber-Bosch process: 이 공정은 iron 촉매하에 고온 고압에서 공기와 천연가스를 반응하여 암모니아와 물을 생산하며 가장 많이 사용되는 공정임.

Ammonia production from biomass: 천연가스 대신 폐유기물이나 바이오가스와 같은 바이오 매쓰를 원료로 사용하며 이는 화석연료 의존을 줄이고 지속가능 (sustainability)의 장점이 있음.

Ammonia production from ammonium nitrate: 질산암모늄 (NH₄NO₃)은 암모니아와 질산의 중화반응으로 생성된 무기염이며 이는 황산 분위기에서 산화에 의해 암모니아를 만들 수 있음.

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Haber-Bosch Process

20세기 초에 develop된 이 공정은 지금도 가장 많이 이용되고 있으며 아래 성분 및 운전조건을 통해 공정이 진행된다.

• Natural gas: 원료인 천연가스는 불순물들을 제거후 원료로 사용함.
• Air: 대기중 공기를 압축하여 반응원료로 사용함.
• Catalysis: 반응속도를 높이기 위한 촉매로 주로 iron촉매을 사용함.
• Pressure: 펌프 및 compressor를 이용하여 고압조건에서 반응이 진행됨.
• Temperature: 히터를 이용하여 고온조건에서 반응이 진행됨.

 

천연가스와 공기가 혼합되어 온도 및 압력을 높인 후 반응기에서 암모니아와 물로 전환이 일어난다. 암모니아는 물로부터 분리된 후 불순물을 제거하기 위해 증류공정을 거친다. 최종 암모니아는 저장되고 final use를 위해 이용되거나 이송된다. 아래 schematic을 참조할 수 있다.

 

Schematic of Haber-Bosch Process

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1. Feedstock preparation for the ammonia production process:

먼저 원료인 천연가스 즉 메탄을 공급하며 이 중 불순물을 제거함.

2. Mixing natural gas and air:

적절한 비율로 천연가스와 공기를 혼합함.

3. Heating and pressurization:

히터, 펌프, 압축기를 통해 반응조건까지 반응물 운전조건을 높임.

4. Chemical reaction during ammonia production:

Iron 촉매 존재하에 화학반응을 통해 암모니아와 물을 생성하고, 반응기는 효율 및 공정의 안전을 위해 적절히 설계되어야 함.

5. Ammonia separation and purification:

암모니아가 생성이 되면 물로부터 분리되고 증류를 통해 불순물을 제거한다. 이를 위해 암모니아와 물 혼합물은 온도를 올려 암모니아를 증발시킨다. 증발된 암모니아는 분리 및 응축후 순수 암모니아 액체를 형성한다. 물은 증발되지 않고 vessel bottom에 남게 된다. 암모니아의 정제를 위해 분별증류, 필터링, 침전 (석출) 등의 방법을 적용할 수 있음.

6. Ammonia storage and transport:

암모니아가 정제되면 저장되거나 다른 제품 생산을 위해 원료로 사용될 수 있음.

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Measures to Reduce Environmental Impact during Ammonia Production

암모니아를 생산하는 공정은 질소산화물이나 온실가스를 다량으로 배출하므로 환경 오염을 야기할 수 있으며 또한 많은 양의 에너지가 요구되므로 이 또한 지구 온난화에 영향을 주게 된다.

이러한 이유로 암모니아를 생산하는 업체에서는 환경영향을 줄이고 지속가능성을 높이기 위해 여러가지 방법들을 개선하고 있다. 예들 들어 신재생에너지를 사용하거나,

CCUS (Carbon Capture Utilization & Storage)를 적용하여 온실가스 배출을 줄이거나 화석연료가 아닌 바이오 매쓰로부터 암모니아를 생산하는 공법을 적용한다.

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