(Translated by https://www.hiragana.jp/)
伯克兰-艾德法 - 维基百科，自由的百科全书 跳とべ转到内容ないよう

伯はく克かつ兰-艾あい德いさお法ほう

维基百科ひゃっか，自由じゆう的てき百科ひゃっか全ぜん书
应用伯はく克かつ兰-艾あい德いさお法的ほうてき反はん应器，功こう率りつ3000 kW，1916-1940年ねん用よう于留とめ坎的てき化工かこう厂，现展览于挪威科学かがく技わざ术博物ぶつ馆（英えい语：Norwegian Museum of Science and Technology）外そと

伯はく克かつ兰-艾あい德いさお法ほう（挪威語ご：Birkeland-Eyde-prosessen，英語えいご：Birkeland–Eyde process）曾是化学かがく工こう业中ちゅう一いち种硝酸しょうさん的まと制せい备方法ほう，主要しゅよう用よう于氮肥生なま产。它是一种由多个步骤组成的固かた氮过程：高こう压电弧使つかい大だい气中的てき氮气（N2）与あずか氧气（O2）在ざい3000 °C高温こうおん中ちゅう结合产生氮氧化物ばけもの（NOx）；二に氧化氮（NO2）在ざい水中すいちゅう溶解ようかい得え到いた硝酸しょうさん（HNO3）；硝酸しょうさん最さい终作为氮肥こえ的てき生なま产原料りょう，是ぜ硝酸しょうさん盐的てき来らい源げん。[1]

本ほん方法ほうほう由よし挪威科学かがく家か克かつ里さと斯蒂安やす·伯はく克かつ兰研けん发[2]，并与工こう业家山やま姆·艾あい德いさお于1903年ねん合作がっさく投とう产[2][3]，建立こんりゅう在ざい1780年代ねんだい亨とおる利り·卡文迪すすむ什发现的てき化学かがく现象的てき基もと础之上じょう。[4][5]在ざい哈伯法ほう与あずか奥おく斯特瓦かわら尔德法ほう发明后きさき，本ほん方法ほうほう因いん能のう效こう低てい、耗电大だい，在ざい1910-1920年代ねんだい间逐渐淘汰とうた。[6]

反はん应

[编辑]
装置そうち示しめせ意い图，水冷すいれい电极与电磁铁产生せい碟片形がた等とう离子体たい

反はん应装置そうち核心かくしん是ぜ一いち个火花ひばな隙すき，因いん此有时也称しょう电弧炉ろ。它的两个电极由よし铜管制かんせい成なり，具有ぐゆう同どう轴式しき结构，采さい用よう水冷すいれい散ち热。两电极间施ほどこせ加か电压5 kV、频率50 Hz的てき高こう压交流こうりゅう电，使つかい火花ひばな隙すき反はん复快速そく放ひ电[7]，产生电弧。在ざい电极周しゅう围，还使用しよう与あずか电极方向ほうこう垂直すいちょく的てき电磁铁施ほどこせ加か一いち个静せい磁场，它产生せい的てき洛らく伦兹力りょく会かい将はた电弧拉ひしげ伸しん为碟形がた薄片はくへん。

碟片形がた电弧是ぜ温度おんど大だい于3000 °C的てき等とう离子体たい。当とう空そら气吹过电弧こ时，在ざい高温こうおん下か，氮气氧化产生一いち氧化氮。在ざい自然しぜん界かい中ちゅう，大だい气中的てき闪电也能产生相しょう同どう的てき化学かがく反はん应，是ぜ可溶性かようせい硝酸しょうさん盐的一いち个来源げん。[8]此外，原はら则上也可以使用しよう火ひ焰、电热铂导线、普通ふつう电弧作さく为热源げん——但ただし效果こうか不ふ佳けい，不ふ适合工こう业上大だい规模生せい产。伯はく克かつ兰-艾あい德いさお的てき碟片形がた电弧不ふ但ただし能のう与あずか空むなし气充分ぶん接触せっしょく，还大幅はば提ひさげ升ます了りょう反はん应器的てき功こう率りつ上限じょうげん。用よう这种方法ほうほう产生的てき碟片形がた电弧直径ちょっけい可か达2米めーとる，发出太ふとし阳般的てき耀眼光芒こうぼう。[6][7]

建けん于萨海姆水力りょく发电站（英えい语：Såheim Hydroelectric Power Station）（Såheim Hydroelectric Power Station）后きさき方かた的てき反はん应器二に号ごう建けん筑，其中曾装有ゆう35个伯克かつ兰-艾あい德いさお反はん应器，每まい个功耗达3000 kW

此反はん应速率りつ在ざい低温ていおん时非常ひじょう缓慢，因いん此必须在高温こうおん下か进行，降くだ低てい温度おんど会かい使し产量下降かこう。[9][10]20世せい纪初实验表明ひょうめい，温度おんど大だい于2000 °C时，反はん应速率りつ“极快”，但ただし在ざい1000 °C时却会かい“缓慢到难以测量”。[1]通つう过精心こころ控ひかえ制せい电弧的てき能のう量りょう与あずか气流的てき流速りゅうそく，在ざい3000 °C时可产生4%-5%的てき一いち氧化氮。本ほん反はん应能耗极高だか，生なま产一吨硝酸需要消耗15兆ちょう瓦かわら时（15,000千せん瓦かわら时）的てき电能，1kWh电能仅能生せい产60g硝酸しょうさん。伯はく克かつ兰的化工かこう厂供电需要じゅよう依よ靠もたれ附近ふきん的てき水力すいりょく发电厂。[9][10]

高温こうおん一氧化氮随后冷却，与あずか大だい气中的てき氧产生せい二に氧化氮。此反应所需时间取决于空そら气中NO的てき浓度，浓度为1%时需要じゅよう180秒びょう，浓度为6%时需要じゅよう40秒びょう，产率为90%.[11]

接着せっちゃく，用水ようすい溶解ようかい二氧化氮产生硝酸。最さい后きさき用よう分ぶん馏法进行提ひさげ纯。[12]

吸收きゅうしゅう过程的てき设计对整个系统的效率こうりつ至いたり关重要じゅうよう。二氧化氮要通过一系列四层楼高的填料塔或板式塔，产生40-50%的てき硝酸しょうさん（高こう于此浓度时，吸收きゅうしゅう速そく率りつ骤降）。第だい一座いちざ吸收きゅうしゅう塔とう让气泡あわ状じょう的てき二氧化氮穿过水与不发生反应的石英碎片。当とう达到最さい终浓度ど后きさき，硝酸しょうさん会かい转移到いた一个花岗岩制成的容器中，塔中たつちゅう液体えきたい被ひ第だい二座吸收塔中更稀的酸液替代。这个移うつり动过程ほど如此反はん复，气体与あずか液体えきたい向こう相反あいはん的てき方向ほうこう转移，最さい后きさき一座吸收塔需要不断补充淡水。此时约20%的てき氮氧化物ばけもの仍未反はん应，因いん此最末尾まつび的てき吸收きゅうしゅう装置そうち中ちゅう含有がんゆう碱性的てき石灰せっかい溶液ようえき，将はた剩余じょうよ的てき氮氧化物ばけもの转化为硝酸しょうさん钙（又また称たたえ挪威硝石しょうせき），但ただし仍有约2%的てき氮氧化物ばけもの释放到いた空むなし气中。[13]

硝酸しょうさん是ぜ生せい产氮肥こえ所しょ需的硝酸しょうさん盐离子NO3−的てき来らい源げん，化学かがく式しき为：

此反应可在ざい水みず或ある另一种质子受体中ちゅう进行。

历史

[编辑]

1781年ねん，英国えいこく化学かがく家か亨とおる利り·卡文迪すすむ什在ざい过量空そら气中燃もえ烧氢，发现产生的てき水中すいちゅう含有がんゆう硝酸しょうさん。1785年ねん，卡文迪すすむ什用电火花ひばな隙すき进一いち步ほ研究けんきゅう发现，如果能のう量りょう与あずか氧气供きょう应充足じゅうそく，空そら气中的てき氮气可か全部ぜんぶ氧化为硝酸しょうさん，但ただし仍有约1/120的てき少量しょうりょう气体不ふ反はん应。1894年ねん，瑞みず利り勋爵重じゅう复了卡文迪すすむ什的实验，最さい终与威い廉かど·拉ひしげ姆齐爵士合作がっさく发现了りょう稀有けう气体氩，同どう时也研究けんきゅう了りょう能のう量りょう输入与あずか硝酸しょうさん产出的てき关系。[1]

为提高だか产量与あずか效率こうりつ，后きさき人じん从大量りょう实验中ちゅう得え到いた了りょう一いち系列けいれつ结论：本ほん化学かがく反はん应的本ほん质是氮气的てき氧化，是ぜ需要じゅよう在ざい高温こうおん下か进行的てき未み催化吸热反はん应；温度おんど应大于2000度ど，而且一氧化氮必须能快速冷却；原げん则上可か以使用しよう任にん何なん一いち种热源げん，包括ほうかつ火ひ焰、铂电热丝、电弧。之これ所以ゆえん使用しよう电弧，是ぜ因いん为火焰的高だか温ゆたか区く大小だいしょう有限ゆうげん，使つかい空そら气难以充分じゅうぶん穿ほじ过，也不能ふのう迅速じんそく开关使し气体有效ゆうこう冷却れいきゃく，而铂电热丝无法ほう在ざい金属きんぞく熔点之の上うえ工作こうさく；研究けんきゅう还发现使用しよう高だか频交流こうりゅう电、高こう阻抗、低てい电流时效果こうか最さい佳けい。低てい电流意味いみ着ぎ难以提ひさげ升ます反はん应器功こう率りつ与あずか产能。[1]

1902年ねん，美国びくに人じん查尔斯·S·布ぬの拉ひしげ德利とっくり（Charles S. Bradley）与あずか迪すすむ米べい特とく·R·洛らく夫おっと乔伊（Dimmitt R. Lovejoy）发明了りょう一种具有多组小电极的圆形旋转火花隙反应器，他た们申请了专利，成立せいりつ大だい气产品ひん公司こうし（Atmospheric Products Co.），在ざい纽约州しゅう尼あま亚加拉ひしげ瀑布ばくふ附近ふきん建立こんりゅう了りょう一家いっか小型こがた化工かこう厂。两人希望きぼう用よう廉れん价的水すい电资源げん支持しじ生せい产，然しか而公司こうし在ざい商しょう业上并不成功せいこう，仅两年ねん后きさき就停止ていし运作[1][14]，主要しゅよう原因げんいん是ぜ产能低ひく。在ざい挪威，刚创刊かん不ふ久ひさ的てき《电化学がく工こう业》发表了りょう两人的てき研究けんきゅう成果せいか。伯はく克かつ兰看到いた这篇文章ぶんしょう后きさき，认为自己じこ的てき单一碟形大电弧方案要优于多个小电弧。[7]

碟形电弧装置そうち最初さいしょ由よし德とく国こく物理ぶつり学がく家か尤ゆう利り乌斯·普ふ吕克在ざい1861年ねん发明。在ざい该实验中，普ひろし吕克在ざい火花ひばな隙すき周しゅう围放置ほうちU型がた电磁铁，使つかい电磁铁与电极两端方向ほうこう互相垂直すいちょく，得とく到いた了りょう碟片形がた电弧。随ずい后きさき瓦かわら尔特·能のう斯脱等とう人ひと也重复了类似的てき实验。[15][16]伯はく克かつ兰将はた其工业化，从而克服こくふく了りょう电流限げん制せい，解かい决了反はん应器的てき功こう率りつ问题，使つかい大だい规模生せい产实用よう化か。[1]使用しよう电弧的てき灵感，来らい自他じた之の前ぜん在ざい实验中ちゅう发生短たん路ろ的てき线圈炮发明。[17]

曾在1912-1940年ねん安あん装そう在留ざいりゅう坎的反はん应器，目前もくぜん为公园展品ひん

挪威的てき两个城じょう镇留とめ坎、诺托登とう曾建有ゆう使用しよう此工艺的化工かこう厂，并依靠もたれ附近ふきん的てき水力すいりょく发电厂供电。1908年ねん，诺托登とう工こう厂的固かた氮产量りょう达7000吨；留とめ坎的化工かこう厂则是ぜ后きさき来らい建けん成なり，年ねん产量28000吨。[14]相そう比ひ后きさき来らい的てき新しん方法ほうほう，伯はく克かつ兰-艾あい德いさお法能ほうのう效こう低てい、耗电大だい。在ざい哈伯法ほう与あずか奥おく斯特瓦かわら尔德法ほう发明后きさき，本ほん方法ほうほう在ざい1910-1920年代ねんだい间被挪威工こう业逐渐淘汰とうた。今日きょう，这两个城镇的工こう厂成为留とめ坎-诺托登とう工こう业遗址し，被ひ联合国教こっきょう科か文ぶん组织收おさむ录于《世界せかい遗产名めい录》。[18]

在ざい现代化工かこう中ちゅう，哈伯法ほう使し氢气（H2）与あずか大だい气中的てき氮气（N2）发生反はん应，转化为氨（NH3）。其中的てき氢气通常つうじょう来き自じ甲きのえ烷（CH4），使用しよう蒸ふけ汽重整せい制せい备。奥おく斯特瓦かわら尔德法ほう随ずい后きさき将はた氨转化か为硝酸しょうさん（HNO3）。[6]

参まいり见

[编辑]

参考さんこう资料

[编辑]
  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Remsen, I.; Renoup, H. The Oxidation of Atmospheric Nitrogen with Reference to the Manufacture of Nitrates and Nitric Acid (PDF). American Chemical Journal. 1906, 35: 358–367 [2024-03-04]. 
  2. ^ 2.0 2.1 Lucy Jago. The Northern Lights. Knopf Doubleday Publishing Group. 2007. Birkeland was deeply unhappy about having to share credit with Eyde, who had no part in the technical development of the idea, but he was forced to collaborate because only Eyde had access to the huge amounts of electric power that would be needed to run the furnaces. 
  3. ^ Eyde, Sam. The Manufacture of Nitrates from the Atmosphere by the Electric Arc—Birkeland-Eyde Process. Journal of the Royal Society of Arts. 1909, 57 (2949): 568–576. JSTOR 41338647. 
  4. ^ Cavendish, Henry. Experiments on air. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1785, 75: 372–384. 
  5. ^ Aaron John Ihde. The development of modern chemistry. Courier Dover Publications. 1984: 678. ISBN 0-486-64235-6. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Trevor Illtyd Williams; Thomas Kingston Derry. A short history of twentieth-century technology c. 1900-c. 1950. Oxford University Press. 1982: 134–135. ISBN 0-19-858159-9. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Lucy Jago. The Northern Lights. Knopf Doubleday Publishing Group. 2007. More recently, two Americans, Bradley and Lovejoy, had built a small factory beside Niagara Falls to produce saltpeter at the end of 1902, but their attempt had proved too inefficient to form the basis of a new industry. A description of their furnace had been included in the first edition of a Norwegian scientific publication, Electrochem Indus-tri, launched only the previous month; Birkeland studied the drawings in the new magazine to check that his idea was different, and therefore potentially more rewarding, than theirs. He saw that they had made a myriad of tiny arcs in their furnace, while Birkeland was planning one large arc, repeated at a high rate and swept sideways by the magnetic field to make contact with as much air as possible. It would look like a circle with the shape and heat of the sun. The following Monday Eyde and Birkeland spent the morning together at the university, inspecting the strange-looking furnace and weighing each other up as potential business collaborators. The first prototype, cobbled together in a few hours, beautifully demonstrated Birkeland’s idea of using magnetism to make large electric arcs and the tremendous noise and smell it produced were persuasive testimony to its potential. 
  8. ^ Karl Fisher; William E. Newton. G. J. Leigh , 编. Nitrogen fixation at the millennium. Elsevier. 2002: 2–3. ISBN 0-444-50965-8. 
  9. ^ 9.0 9.1 Mellor, J. W. Modern Inorganic Chemistry. Longmans, Green and Co. 1918: 509. 
  10. ^ 10.0 10.1 Martin, Geoffrey; Barbour, William. Industrial Nitrogen Compounds and Explosives. Crosby Lockwood and Son. 1915: 21. 
  11. ^ Webb, H. W. Absorption of Nitrous Gases. Edward Arnold & Co. 1923: 20. 
  12. ^ Douglas Erwin. Industrial Chemical Process Design. McGraw-Hill. 2002: 613. ISBN 0-07-137621-6. 
  13. ^ Knox, Joseph. The Fixation of Atmospheric Nitrogen. D. Van Nostrand Company. 1914: 45-50. 
  14. ^ 14.0 14.1 M. Kiefer, David. Capturing Nitrogen Out of the Air. Today's Chemist at Work (American Chemical Society). [2024-03-05]. ISSN 1532-4494. （原始げんし内容ないよう存そん档于2021-12-04）. 
  15. ^ Plücker. Ueber die Einwirkung des Magnets auf die elektrische Entladung [On the effect of the magnet on the electric discharge]. Annalen der Physik und Chemie. 1861, 113: 249–280 [2024-03-03]. （原始げんし内容ないよう存そん档于2024-03-03） （German）.  From p. 255: " … die Curven, welche dieselbe durchziehen, soweit die Schätzung des Auges reicht, genau die Form von Kreisbogen an[nehmen], die sämmtlich auf der die beiden Spitzen des Entladers verbindenden geraden Linie, als gemeinschaftlicher, senkrecht stehen." ( … the curves which [the luminous discharges] traverse, assume — as far as the eye can judge — exactly the form of circular arcs, all of which stand perpendicular to the same straight line that joins the two points of the electrodes.)
  16. ^ Worden, Edward Chauncey. Technology of Cellulose Esters 1:2. D. Van Nostrand Company. 1921: 870. 
  17. ^ Lucy Jago. The Northern Lights. Knopf Doubleday Publishing Group. 2007. When the ladies retired to the drawing room and the gentlemen stood around the fire, drinking whisky and smoking cigars, Birkeland approached Eyde and said, “I have the solution.” He explained that his cannon, of which Eyde was already aware through Knudsen, produced high-energy electric arcs if it short-circuited during testing—arcs exactly like bolts of lightning. Birkeland believed this faulty element of his gun design could be combined with electromagnetic furnace technology to ionize air and produce nitric acid. 
  18. ^ Rjukan–Notodden Industrial Heritage Site. UNESCO. 2015-07-05 [2024-03-04]. （原始げんし内容ないよう存そん档于2020-07-03）. 
检索自じ“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=伯はく克かつ兰-艾あい德いさお法ほう&oldid=83271951”