Ikatan rangkap tiga yang sangat stabil

Reaksinya ringkas: N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Atomnya seimbang, 2 nitrogen dan 6 hidrogen di kedua sisi. Kesulitannya bukan pada persamaan, melainkan pada ikatan rangkap tiga pada molekul N₂ yang sangat kuat, yang membuat nitrogen sukar bereaksi [1].

Seluruh rekayasa Haber-Bosch pada dasarnya adalah cara memaksa ikatan itu putus dalam skala industri, secara terus-menerus, dengan biaya yang masih dapat diterima.

Tiga syarat ekstrem dan tarik-menariknya

Tiga syarat dipakai bersamaan. Katalis besi membantu memecah ikatan N₂. Suhu 400 sampai 500°C mempercepat reaksi. Tekanan 150 sampai 250 bar mendorong kesetimbangan ke arah produk, karena 4 mol gas berubah menjadi 2 mol gas, sesuai prinsip Le Chatelier [1][2].

Syarat-syarat ini saling bertarik. Suhu tinggi baik untuk kecepatan, tetapi buruk untuk kesetimbangan reaksi eksotermik. Tekanan tinggi baik untuk hasil, tetapi mahal untuk peralatan. Angka operasinya merupakan kompromi di tengah tarik-menarik tersebut.

Satu lintasan hanya 15 persen: mengapa recycle menentukan

Sekali campuran gas melewati reaktor, hanya sekitar 15 persen yang berubah menjadi amonia. Amonia kemudian dipisahkan dengan kondensasi, dan gas yang belum bereaksi dikembalikan masuk reaktor.

Tanpa recycle, lebih dari 80 persen bahan baku terbuang pada setiap putaran. Recycle bukan aksesori, melainkan penentu pabrik ini untung atau rugi [1].

Sifat eksotermik: panas yang membantu sekaligus menghambat

Reaksinya eksotermik dengan ΔH sekitar minus 92 kJ per mol. Panas yang dilepas membantu menjaga suhu reaktor, tetapi apabila bed katalis terlalu panas, kesetimbangan justru bergeser kembali menjauhi produk.

Karena itu, reaktor amonia dirancang mengelola panasnya sendiri dengan hati-hati, dengan pendinginan di antara tahap-tahap agar konversi per lintasan tetap tinggi tanpa mengorbankan kesetimbangan [1].

Dari amonia ke urea dan pupuk

Amonia merupakan produk antara dalam rantai ini. Sebagian besar amonia dunia diolah lebih lanjut menjadi urea dan pupuk nitrogen lain, dan dari sanalah nitrogen dari udara akhirnya sampai ke tanaman. Tanpa proses ini, separuh lebih pangan dunia tidak memiliki sumber nitrogennya [2].