哈柏法

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弗里茨·哈伯(Fritz Haber), 1918

哈柏法(也稱哈伯法哈伯-博施法英文Haber Process,也稱Haber-Bosch processFritz-Haber Process)是通過氮氣氫氣產生氨氣(NH3)的過程。[1]

氮氣及氫氣在200個大氣氣壓及攝氏400度,通過一個鐵化合物的催化劑(Fe3+),會發生化學作用,產生氨氣。在這個情況下,產量一般是10-20%。

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) (该反应是可逆反应

ΔHo, 反應熱為-92.4 kJ/mol。

選擇高溫的條件是為了提高反應速率,但因為此反應是放熱反應,在此條件下平衡後的產率反而較低溫時為低。

氮是限制植物生長的一個關鍵的礦質營養。儘管碳和氧也很關鍵,但很容易被植物從土壤和空氣中獲得。雖然的空氣是78%的氣,但大氣中的氮是不可用的營養,因為氮分子以強大的三鍵結合在一起。氮必須被“固定”,即通過自然或人為的過程轉換成某種生物可利用的形式。直到20世紀初期,弗里茨·哈伯(Fritz Haber)才開發出大氣中的氮轉化為可提供營養的氨的第一個實用過程來。在哈伯過程發現之前,氨一直難以在工業規模上生產。[2][3][4][5]

由哈伯過程中產生的氨產生的肥料,估計是負責維持三分之一的地球人口。[6]據估計,人類中的一半的蛋白質中的氮是由用這種方法最初的固定的,而其餘氮是由固氮細菌和古細菌生產的。[7]

歷史[编辑]

這個實驗首先在1908年由弗里茨·哈伯進行。於1910年,Carl Bosch於德國巴斯夫化學公司工作時,成功把這個實驗商業化,使之符合成本效益。這個實驗最早期於1911年被德軍於第一次世界大戰使用。之前,德國要製作氨氣需要從智利入口硝酸鈉,但由於戰爭使其供應不穩定。哈伯亦以此項發明獲得1918年諾貝爾化學獎

原料的製備[编辑]

合成氨的原料氮气来自于空气(以液態空氣的分餾取得),氢气来自于燃料。原料气包含杂质,因此在参与反应前需要去除杂质,即原料气的净化。

H2 + RSH → RH + H2S(g)
H2S + ZnO → ZnS + H2O
CH4 + H2O → CO + 3 H2
  • 一氧化碳与水反应,轉化成二氧化碳及製造更多的氫氣:
CO + H2O → CO2 + H2可逆反应
  • 接下來二氧化碳可經2-氨基乙醇溶液吸收或使用變壓吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA,在此使用具有專利的固態吸附媒介)清除。
  • 製備氫的最後步驟是以使用催化劑的甲烷化(methanation)移除在氫氣中殘留的少量一氧化碳及二氧化碳:
CO + 3 H2 → CH4 + H2O
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
水蒸氣重組,一氧化碳變換,清除二氧化碳及甲烷化的步驟在25至35巴(105帕)的壓強進行。
由於化石燃料短缺,製氨用的氫理論上可以用水的電解(現今4%的氫由電解製備)或熱化裂解(thermal chemical cracking)製得,但現在來說,這些方法都是不實際的。熱裂解所需的熱能可以從核能反應中取得,而風力發電太陽能發電水力發電產的的過剩電能可以用來電解水製氫。現在為止,從空氣及燃料製氨以外的替代方案是不經濟的,而且這些方法對環保的作用仍未被確定。

反應過程[编辑]

一个歷史性(1921年)的用於生產氨的哈柏法高壓合金鋼反應器被展示, 在德國的卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)。

合成氨的反应是在高压环境的合成塔中完成的,氮气和氢气混合后经过压缩从塔的上部进入合成塔。经过合成塔下部的热交换器,混合气体的温度升高,并进入放有触媒(催化剂)的接触室。在接触室,一部分氮气和氢气发生反应,合成了氨,混有氮气,氢气和氨气的混合气体经过热交换器离开合成塔。混合气体要经由冷凝器,将氨液化,因而将氨分离出来,而氮气和氢气的混合气体经压缩再次送入合成塔,形成循环。 这样做节省原料,循环利用。硫酸合成工业中也有类似应用。

參看[编辑]

參考[编辑]

  1. ^ Max Appl "Ammonia" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2006 Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a02_143.pub2
  2. ^ Smil, Vaclav (2004). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 9780262693134.
  3. ^ Hager, Thomas (2008). The Alchemy of Air. Harmony Books, New York. ISBN 978-0-307-35178-4.
  4. ^ Fertilizer Industry: Processes, Pollution Control and Energy Conservation by Marshall Sittig (1979) Noyes Data Corp., N.J. ISBN 0-8155-0734-8
  5. ^ "Heterogeneous Catalysts: A study Guide"
  6. ^ Wolfe, David W. Tales from the underground a natural history of subterranean life. Cambridge, Mass: Perseus Pub. 2001. ISBN 0-7382-0128-6. OCLC 46984480. 
  7. ^ BBC: Discovery - Can Chemistry Save The World? - 2. Fixing the Nitrogen Fix