Μέθοδος Μπος-Μέιζερ

Εργοστάσιο ουρίας το 1930, το οποίο αξιοποιούσε πελλέτες καρβαμικού αμμωνίου στην παραγωγική διαδικασία

Η μέθοδος Μπος-Μέιζερ (αγγλ. Bosch-Meiser process), που νομικά κατοχυρώθηκε με πατέντα το 1922, είναι βιομηχανική διαδικασία παραγωγής της ουρίας και φέρει την ονομασία της αυτή προς τιμήν των ερευνητών που την ανέπτυξαν πρώτοι, τους Γερμανούς χημικούς Carl Bosch και Wilhelm Meiser.

Η μέθοδος αποτελείται από δύο στάδια, τα οποία λαμβάνουν χώρα με αντιδράσεις ισορροπίας, με ημιτελή μετατροπή των χημικών αντιδρώντων. Το πρώτο στάδιο καλείται σύνθεση καρβαμικού: είναι η ταχεία, εξώθερμη αντίδραση της υγρής αμμωνίας σε αέριο διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση για την παραγωγή του καρβαμικού αμμωνίου, NH4+ NH2COO-

• 2 NH3 + CO2 ⇌ [NH4]+[NH2COO]− (ΔH = −117 kJ/mol, σε πίεση 110 atm και 160°C)

Το δεύτερο στάδιο, που ονομάζεται σύνθεση ουρίας: είναι η πολύ αργή, ενδόθερμη αποικοδόμηση της παραχθείσας ένωσης, του καρβαμικού αμμωνίου, σε ουρία και νερό:

• [NH4]+[NH2COO]− ⇌ CO(NH2)2 + H2O (ΔH = +15.5 kJ/mol, στους 160–180°C)

Η συνολική χημική μετατροπή της NH3 και του CO2 προς ουρία είναι εξώθερμη αντίδραση, με τη θερμότητα της αντίδρασης από την πρώτη αντίδραση να οδηγεί τη δεύτερη. Οι συνθήκες που ευνοούν τον σχηματισμό ουρίας (υψηλή θερμοκρασία) έχουν δυσμενή επίδραση στην ισορροπία σχηματισμού καρβαμιδικών. Οι συνθήκες της διεργασίας είναι ένας συμβιβασμός: η αρνητική επίδραση στην πρώτη αντίδραση της υψηλής θερμοκρασίας (περίπου 190 °C) που απαιτείται για τη δεύτερη αντισταθμίζεται με τη διεξαγωγή της διαδικασίας υπό υψηλή πίεση (140–175 bar), η οποία ευνοεί την πρώτη αντίδραση.

Ο χημικός Καρλ Μπος το 1927 (αρχείο BASF)

Αν και είναι απαραίτητο να συμπιεστεί το αέριο διοξείδιο του άνθρακα σε αυτή την πίεση, η αμμωνία διατίθεται από το εργοστάσιο παραγωγής αμμωνίας σε υγρή μορφή, η οποία μπορεί να αντληθεί στο σύστημα πολύ πιο οικονομικά. Για να μπορέσει ο αργός χρόνος αντίδρασης σχηματισμού ουρίας να φτάσει σε ισορροπία, χρειάζεται ένας μεγάλος χώρος αντίδρασης, επομένως, ο αντιδραστήρας σύνθεσης σε μια μεγάλη βιομηχανία ουρίας τείνει να είναι ένα τεράστιο δοχείο πίεσης.

Για χρήση στη βιομηχανία, η ουρία παράγεται από συνθετική αμμωνία και διοξείδιο του άνθρακα. Καθώς κατά τη διαδικασία παραγωγής αμμωνίας παράγονται μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα ως υποπροϊόν της καύσης υδρογονανθράκων για την παραγωγή θερμότητας (κυρίως φυσικό αέριο και σπανιότερα παράγωγα πετρελαίου ή γαιάνθρακα), οι μονάδες παραγωγής ουρίας βρίσκονται -σχεδόν πάντα- δίπλα στην τοποθεσία, όπου η αμμωνία παρασκευάζεται.

Η ουρία παράγεται σε βιομηχανική κλίμακα και έχει πολλές χρήσεις, κυρίως σε λιπάσματα και σε ρητίνες ξύλου (UF, MUF). Το 2022, η παγκόσμια παραγωγή της στον κόσμο ήταν περίπου 210 εκατομμύρια μετρικοί τόνοι.