Birkeland-Eyde-prosessen

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Kristian Birkeland malt av kunstneren Asta Nørregaard rundt 1900.
Sam Eyde fotografert i 1910
A/S Notodden Salpeterfabrikker 25.11.1906
Ovnhus A på Notodden idag
Elektisk lysbueovn fra 1905 oppstilt ved Hydros bedriftshistoriske samling, Notodden
Store keramiske krukker for mellomlagring av salpetersyre under konsentrasjonsprosessen, oppstilt ved Hydros bedriftshistoriske samling, Notodden.

Birkeland-Eyde-prosessen eller lysbueprosessen er prosess for fremstilling av nitrogendioksid til bruk i gjødsel.

Prosessen er oppkalt etter fysikeren Kristian Birkeland (1867–1917) og gründeren Sam Eyde (1866–1940). I Birkelands patentutkast fra 20. februar 1903 ble metoden beskrevet som å «fremstille elektriske lysbuer av størst mulig overflate, særlig til bruk ved kjemisk binding eller spalting av gassblandinger eller gassarter». Etter forsøk utført i kjelleren ved Kongelige Frederiks Universitet i Kristiania og forsøkstasjonene ved Frognerkilen Fabrik, Ankerløkken Verk i Kristiania og Vassmoen ved Arendal, ble metoden ferdig utviklet i 1904. De første lysbueovnene beregnet for full industriell skala ble laget på forsøksfabrikken på Vassmoen. Etter nedleggelsen i 1907 ble én ovn overført til Notodden. I dag står den eneste bevarte ovnen plassert på utsiden av Ovnshus A i Hydroparken på Notodden.

Forsøksfabrikken på Notodden[rediger | rediger kilde]

Prosessen ble første gang tatt i bruk ved A/S Notodden Salpeterfabrikker som den 2. mai 1905 startet produksjon med tre lysbueovner, hver på 520 kW. 18. november 1905 ble prosessen presentert av professor Otto Witt på den tekniske høyskolen i Berlin. 5. desember 1905 ble prosessen offentliggjort i Norge i to foredrag; Birkeland holdt foredrag ved Videnskapsakademiet og Eyde ved Polyteknisk forening. Tre dager tidligere hadde også Norsk Hydro-Elektrisk Kvælstofaktieselskab blitt etablert.

På Notodden ble det i 1906-07 bygget en større fabrikk med ovnshus, tårnhus (absorpsjonsanlegg), kokhus og lager. Ved fabrikken som startet opp 2. oktober 1907 var det i ovnshus A installert 32 lysbueovner, hver på 1000 hk (750 kW). Elektrisiteten ble levert fra Svelgfoss kraftverk som ble bygget samtidig med fabrikken. Absorbsjonsanlegget besto av tre parallelle rekker á tre 20 meter høye syretårn i granitt. Restgassabsorbasjonsanlegget besto av tre parallelle rekker á to runde tårn i treverk. Etter en del innkjøringsproblemer var fabrikken i full drift fra 1908.

Birkeland-Eyde-prosessen[rediger | rediger kilde]

Metoden gikk ut på at luft, dvs. nitrogen (N2) og oksygen (O2), ble ledet inn i en rund ovn hvor en lysbue ble dannet mellom to aksialt orienterte elektroder i et kraftig magnetfelt. I ovnen oppsto en skiveformet flamme hvor plasmatemperaturen holdt rundt 3000 °C og omdannet de to hovedkomponentene i luft (N2 og O2) til nitrogenoksid-gass (NO).

N2 + O2 → 2 NO

Gassen ble kjølt hurtig ved at den ble slynget ut av flammens egen bevegelse til ovnsrommets ytre. Gassen ble deretter trukket med vifter ut i kanaler, fôret med chamottestein, i ovnens øvre og nedre del. Her ble gassen kjølt til 50 °C og ført videre til et rom hvor gassen oksiderte i en ny reaksjon med oksygen fra ovnsluften til produktet nitrogendioksid (NO2).

2 NO + O2 → 2 NO2

Den resulterende nitrogendioksid-gassen ble deretter ledet inn i et absorpsjonstårn, hvor den reagerte med vann (H2O) til produktene salpetersyre (HNO3) og nitrogenoksid.

3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO

Salpetersyre er en kilde til nitrat (NO3-), et ion som planter kan absorbere, i reaksjonen:

HNO3 + H20 → H3O+ + NO3-

I denne reaksjonen dannes også et hydroniumion (H3O+), som er en syre. Gjødsling med salpetersyre gir altså en syrekomponent som et av produktene, noe som vil medføre litt surere jord etter gjødsling.

Bakgrunn[rediger | rediger kilde]

Allerede i 1775 hadde engelskmannen Priestly observert at kraftige elektriske utladninger i luft førte til dannelse av nitrogenoksider. Henry Cavendish påviste i 1785 dannelsen av salpetersyre. I 1859 tok Mme. Lafebre patent på framstilling av salpetersyre ved hjelp av elektriske utladninger i luft og absorpsjon av gassen i alkaliske oppløsninger. På slutten av 1800-tallet ble det drevet en rekke forsøk med elektriske lysbuer. I England publiserte Lord Rayleigh i 1897 en avhandling som beskrev høyspente lysbuer til framstilling av salpetersyre og vanskelighetene med skape en stabil lysbueflamme. To år etterpå ble de første større forsøkene med stabile lysbuer foretatt av britene A. McDougall og F. Howles, men prosessen viste seg å være ulønnsom.

Nitrogenkappløpet[rediger | rediger kilde]

Ovnsskjoldet til en type lysbueovner brukt på Rjukan fra 1912 til 1940, oppstilt i en park på Rjukan

Den første kommersielle produksjon av nitrogengjødsel basert på lysbuer startet i 1902 ved en salpeterfabrikk ved Niagara Falls, USA. Prosessen som var utviklet av Charles S. Bradly og D. Ross Lovejoy ble ulønnsom og produksjonen lagt ned etter to års drift. Birkelands lysbuemetode ble utviklet i konkurranse med den mindre energikrevende Frank-Caro-prosessen (kalsiumcyanamid), kommersiell produksjonsmetode patentert 1903, og Haber-Bosch-prosessen, patentert 1910. Norsk Hydros lysbueovner fikk også konkurranse fra Otto Schönherrs vertikale lysbueovn som var utviklet av BASF i 1905 til Fiskaa bruk i Kristiansand. Ved utbyggingen av «Rjukan I» ble det installert 96 Schönherr-ovner og bare 8 Birkeland-Eyde-ovner. Ved utbyggingen av Såheim kraftverk og «Rjukan II» ble det i ovnshus II installert 35 Birkeland-Eyde-ovner som tålte en belastning på 3000 kw.

Ovnskjoldet til en lysbueovn brukt på Rjukan 1916-1940, kapasitet 3300 kW (oppstilt utenfor Norsk Teknisk Museum).

Lysbueprosessen fikk aldri noen kommersiell suksess utenfor Norge, selv om noen lisensrettigheter også ble solgt utenlands etter at ovnsteknologien var ferdigutviklet ved utbyggingen av «Rjukan II» i 1912. Under den 1. verdenskrig ble en fabrikk med Birkeland-Eyde-ovner bygget i Soulom, Frankrike. Når fabrikken ble nedlagt i 1926 ble fire av ovnene flyttet til Rjukan. Birkeland–Eyde-prosessen var svært energikrevende og betinget tilgang til billig elektrisk kraft. I 1926 krevde lysbueprosessen i snitt 61000 kWh for å produsere 1 tonn fiksert nitrogen, Frank-Caro-prosessen krevde rundt 12-14000 kWh, mens Haber-Bosch-prosessen kun krevde 4000 kWh. I 1913, året etter at Birkeland-Eyde-ovnen var ferdig utviklet, åpnet den langt mer effektive ammoniakkfabrikken ved Oppau i Ludwigshafen, (Tyskland), som produserte etter Haber-Bosch-metoden. I 1926 ble bare 6% av produksjonen av fiksert nitrogen produsert etter lysbueprosessen. Den resterende produksjonen fordelte seg med 24% etter Frank-Caro-prosessen og 70% etter Haber-Bosch-prosessen. På 1920-tallet var Norsk Hydros andel av verdens samlede gjødselsprodusjon mellom én og to prosent.

Norsk Hydro hadde gjennom sitt samarbeid med BASF opsjon på Haber-Bosch-metoden. I 1913 besluttet styret å ikke akseptere tilbudet om overdragelse av ammoniakkmetoden fra BASF. Som en del av oppgjøret etter 1. verdenskrig hadde den franske stat sikret seg Haber-Bosch-prosessen og de ønsket et samarbeid med Norsk Hydro om industriell utnyttelse av prosessen. I 1920 takket Norsk Hydro igjen nei til Haber-prosessen, da de selv sammen med svenskene Helge Bäckström og Ivar Cederberg forsøkte å utvikle en ny ammoniakkprosess med lavere trykk. Dette mislyktes og forsøksprosjektet ble lagt ned i 1924. I 1927 måtte Norsk Hydro også gå over til Haber-Bosch-prosessen og inngå et samarbeid med kjemigiganten IG Farben. I forbindelse med prosessomleggingen etablerte Norsk Hydros et nytt anlegg på Herøya i 1929 som i løpet av 1930-tallet også startet å produserte fullgjødsel etter Oddaprosessen. Birkeland-Eyde-ovner var i bruk på Notodden fram til 1934, på Rjukan til 1940.

Birkeland-Eyde-prosessen og den påfølgende etableringen av Norsk Hydro hadde stor betydning for Norge som ung nasjon, men prosessen i seg selv var internasjonalt mindre signifikant enn både Frank-Caro-, Haber-Bosch- og Oddaprosessen.

Kilder[rediger | rediger kilde]

Se også[rediger | rediger kilde]

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]