哈柏ほう

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重定しげさだこう哈伯-ひろしほどこせほう
1918ねんてきどるさといばら·哈伯
1931ねんてき卡爾·はくほどこせ

哈伯ほう(也稱哈伯-ひろしほどこせほうとくぶんHaber-Bosch-Verfahren英文えいぶんHaber Process,也稱Haber-Bosch processあるFritz-Haber Process通過つうか氮氣氫氣さんせい氨氣(NH3てき過程かてい[1]

氮氣及氫ざい200大氣たいきあつ及攝400,以てつ(Fe)做為催化ざいかい發生はっせい化學かがく作用さようさんせい氨氣。ざい此情きょうさんりょう一般いっぱん10-20%。

ΔでるたHo, 反應はんのう焓變ため-92.4 kJ/mol。

選擇せんたく高溫こうおんてき條件じょうけんためりょうゆう較高反應はんのうそくりつただしよしためただしこう反應はんのう放熱ほうねつ反應はんのうざい條件下じょうけんか平衡へいこうてきさんりつはん而較低溫ていおんためひく[2]

氮是げんせい植物しょくぶつ生長せいちょうてきせきかぎ礦質營養えいよう。儘管碳和氧也很關かぎただし容易ようい植物しょくぶつしたがえ土壤どじょう空氣くうきちゅう獲得かくとく。雖然空氣くうきゆう78%氮氣,ただし大氣たいきちゅうてき氮是不可ふかようてき營養えいよういんため分子ぶんし以強だいてきさんかぎ結合けつごうざいいちおこり。氮必須被“固定こてい”,そく通過つうか自然しぜんある人為じんいてき過程かてい轉換てんかんなりぼうしゅ生物せいぶつ利用りようてき形式けいしき[3]

歷史れきし[编辑]

1903ねん合成ごうせい氨反应才よしとくこく科学かがくどるさといばら·哈伯ざい1020℃つね条件下じょうけんか极微量的りょうてき0.005%氨产せい。哈伯提出ていしゅつどおり过封闭流ほど循环操作そうさこう艺轉ため氨。ざい哈伯過程かてい發現はつげんまえ,氨一直難以大规模生产。[4][5][6][7]これぜん虽然やめゆうはくかつ兰-あいいさおほうあずかどる兰克-卡罗ほうえいFrank–Caro processただし两者のう耗大,效率こうりつひく

さん计划期間きかん沈阳开原合成ごうせい氨厂

1908ねん2がつ,哈伯あずかともえ斯夫公司こうし达成协议。1909ねんとくこくともえ斯夫公司こうしてき卡爾·はくほどこせ发现合成ごうせい氨的だかこう催化。1909ねん7がつ2にち哈伯领导てき研究けんきゅうしょう组首よう金属きんぞく锇粉まつ催化剂,ざい高温こうおんだか压设备中成功せいこうせい产出90g氨。ともえ斯夫公司こうしてきAlwin MittascheえいAlwin Mittasche提出ていしゅつ合成ごうせい氨的催化剂是组分体系たいけい,经过いちねんはん对2500种催剂的6500试验,さい终发现最だかこうてき含有がんゆう钾-氧化铝助剂的铁催剂,并沿よういたりいま。1910ねんともえ斯夫就哈かしわほう申請しんせいせん[8]1911ねん卡爾·はくほどこせけん成功せいこうだい一台高压合成氨反应器(とう时能受得じゅう200个大气压てきてい碳钢いん氢脆作用さよう而腐蚀。さいきさきざいてい碳钢てきはん应管一层熟铁衬里解决 ),使符合ふごう成本なりもとこうえき成功せいこう商業しょうぎょううんさく[9]此個實驗じっけんさい早期そうき於1911ねんとくぐんだいいち世界せかい大戰たいせん使用しようこれまえとくこくよう製作せいさく氨氣需要じゅようしたがえさとしすすむこう硝酸しょうさんただしよし於戰そう使其供おう不穩ふおんじょう。1913ねん9がつ9にち世界せかいじょうだい一套合成氨工业装置在みちとく维希みなとてきOppauたてしげるとう产,にち产量3~5吨。

而做ため炸藥さくやくてき原材料げんざいりょう使つかいとくとくこく解決かいけつきんうんしょ造成ぞうせい材料ざいりょうたんかけしるべ致了いちせんてきにかわちょ戰後せんごこえそくざい人口じんこうばく炸上貢獻こうけん巨大きょだいよりどころ估計,人類じんるいちゅうてき一半的蛋白質中的氮是由用此種方法達到最初的固定,而其あまり氮是ゆかりかた細菌さいきんきん生產せいさん[10]よし哈伯過程かてい中產ちゅうさんせいてき氨產せいてき肥料ひりょう,估計せめ維持いじりょう地球ちきゅう人口じんこうさんふんいち[11]

哈伯また以此こう發明はつめい獲得かくとく1918ねんだくかいなんじ化學かがく

1926ねんとくこくほうほん公司こうしさいようゆたかかつ勒炉气化褐煤成功せいこう合成ごうせい氨。だい二次世界大战结束后,以焦ずみすす为原りょうせい产的氨约うらない一半いっぱん以上いじょう

1968ねん田中たなか贞夫とう科學かがく最早もはやすえ生物せいぶつかた氮模がた提出ていしゅつりょう过渡金属きんぞく电子授受じゅじゅがた合成ごうせい论。[12]1979ねん英国えいこく石油せきゆ公司こうしてき斯蒂芬·罗伯とく·ひろしあまもり发现碱助剂的钌活性炭かっせいたん催化剂有极佳てき合成ごうせい活性かっせいよう传统铁基催化剂的活性かっせいだか一个数量级,なり为第二代合成氨工业催化剂。[13]

2007ねん马克斯·ろうかつ学会がっかいどるさといばら·哈伯研究所けんきゅうじょえいFritz Haber Institute of the Max Planck Societyてきとくこく科学かがくかく哈德·ほこりとくいんざい固体こたい表面ひょうめん化学かがく过程”研究けんきゅうちゅうかい释了こう合成ごうせい氨催原理げんり而独とおる诺贝尔化がく提出ていしゅつくびさき分子ぶんしざい铁催金属きんぞく表面ひょうめんじょう进行化学かがく吸附,使つかい原子げんし间的化学かがく键减じゃく进而かい离;接着せっちゃく化学かがく吸附てき原子げんし态氢不断ふだん跟表めんじょうてきかい离的氮原子げんし作用さようざい催化剂表めんじょう逐步生成せいせい—NH、—NH2NH3さいきさき分子ぶんしざい表面ひょうめんじょうだつ吸而生成せいせい气态てき氨。还确ていりょうはらゆう方法ほうほうちゅう化学かがくはん应中さい慢的骤—N2ざい金属きんぞく表面ひょうめんてきかい离,此一突破有利于更有效地计算和控制人工固氮技术。

原料げんりょうてきせい[编辑]

氢气主要しゅようげん固体こたい燃料ねんりょうじゅう质烃、轻质烃或气体烃加热至高温こうおん并与すいふけ气反应,なま产含氢和一氧化碳为主的みずすす。一氧化碳进一步与水蒸气变换为氢气和二氧化碳。つう过液并分馏空气除去じょきょ氧气いた氮气。いたてき合成ごうせい气还需经过纯はた残余ざんよてき硫和碳的化合かごうぶつだつじょ防止ぼうし催化剂中毒ちゅうどくそく原料げんりょう气的净化。[14]これきさき合成ごうせい气经过压缩达到合成ごうせい需要じゅようてき压力,さいきさきおく进反应塔,ゆかり合成ごうせい氨的转化りつ较低,原料げんりょう气可以回收かいしゅうさい利用りよう

  • さんせいてき硫化りゅうか氫會氧化鋅吸收きゅうしゅう變成へんせいすい硫化りゅうかそく氧化锌脱硫だつりゅう
  • ざいてき催化けい脱硫だつりゅうてき碳氫化合かごうぶつ(如甲烷)あずかみずふけ气反应,转變成へんせい氫氣いち氧化碳てき混合こんごうぶつそく烃类いち类转
CnH2n+2 + H2O → nCO + 2(2n-1) H2
  • 一氧化碳与水反应,てん化成かせい氧化碳製造せいぞうさらてき氫氣。そく高温こうおん变换(Fe3O4催化剂)、たい硫变换(Co催化剂)、低温ていおん变换(Cu催化剂):
  • せっらい氧化碳可けい2-氨基おつあつし溶液ようえき吸收きゅうしゅうある使用しよう變壓へんあつ吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA,ざい使用しよう具有ぐゆうせんてきかたたい吸附媒介ばいかいきよしじょ
  • せい備氫てき最後さいご驟是以使用しよう催化ざいてききのえ烷化(methanation)うつりじょざい氫氣ちゅう殘留ざんりゅうてき少量しょうりょう一氧化碳及二氧化碳:

水蒸氣すいじょうきじゅうぐみいち氧化碳變換へんかんきよしじょ氧化碳及きのえ烷化てき驟在25いたり35ともえ(105帕)てきあつきょう進行しんこう

よし化石かせき燃料ねんりょうたんかけせい氨用てき氫理ろんじょう用水ようすいてき電解でんかい現今げんこん4%てき氫由電解でんかいせい備)あるねつきれかい(thermal chemical cracking)せいとくねつきれかいしょ需的ねつのう以從かくのう反應はんのうちゅう取得しゅとく,而風力ふうりょく發電はつでん太陽たいようのう發電はつでん水力すいりょく發電はつでんさんせいてき過剩かじょうでんのう以用らい電解でんかいすいせい氫。ただし現在げんざいためやめしたがえ空氣くうき燃料ねんりょうせい氨以外的がいてきがえだい方案ほうあん不經濟ふけいざい實際じっさい,而且此等方法ほうほうたいたまきたもつてき作用さよう仍未確定かくてい

反應はんのう過程かてい[编辑]

1921ねん哈柏ほうだかあつ合金ごうきんこう反應はんのう展示てんじざいとくこくてき卡尔斯鲁やく理工りこう学院がくいん(KIT)。

合成ごうせい氨的はん应是在高ありだか压环さかいてき合成ごうせいとうちゅう完成かんせい,氮气氢气混合こんごうきさき经过压缩从塔てき上部じょうぶ进入合成ごうせいとう。经过合成ごうせいとう下部かぶてき热交换器混合こんごう气体てき温度おんどますだか,并进いれゆう触媒しょくばい(催化剂)てき接触せっしょくしつざい接触せっしょくしつ,一部分氮气和氢气发生反应,合成ごうせいりょう氨,こんゆう氮气,氢气氨气てき混合こんごう气体经过热交换器离开合成ごうせいとう混合こんごう气体よう经由ひやしこりはた氨液いん而将氨分离出来でき,而氮气和氢气てき混合こんごう气体经压缩さいつぎおくにゅう合成ごうせいとう形成けいせい循环利用りようせつしょう原料げんりょう硫酸りゅうさん合成ごうせい工業こうぎょうちゅうまたゆう類似るいじ應用おうよう[15]

合成ごうせい氨工业[编辑]

2012ねんぜん世界せかい合成ごうせい氨2.2おく吨,销售额超过1000亿美もと。其中85%よう于化こえひとひとしねん消耗しょうもうこえ31.1kg。人体じんたいちゅうちょう过50%てき氮来合成ごうせい氨。消耗しょうもうのうげん3.5亿吨标准すすけうらないぜんたまのうげん消耗しょうもう总量2%;はい二氧化碳超过4亿吨,うらないぜんたまはい總量そうりょう1.6%。

中国ちゅうごく合成ごうせい氨工业[编辑]

中国ちゅうごくさく为农业大国たいこく高度こうどじゅう合成ごうせい氨工业。1949ねん中国ちゅうごく仅有だい连、南京なんきん两家合成ごうせい氨厂,产能4.5まん吨。1992ねん产能2300まん吨,其中4まん吨以1539いえ,10まん吨以55いえ,20~30まん吨24いえ。2012ねん产能ちょう过6000まん吨。掌握しょうあくりょう以焦すすけ、无烟すすけこげ气、天然てんねん气、油田ゆでんともせい气、えき态烃とう种原りょうせい合成ごうせい氨和尿素にょうそてきわざ术,形成けいせいりょう以煤为主(うらない80%以上いじょう)、天然てんねん气为辅,淘汰とうたりょう石油せきゆてき原料げんりょうかくきょく

參看さんかん[编辑]

參考さんこう[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. ^ Schwartz-Albiez, Reinhard und Osteroth, Dieter (1989). Von der Kohle zur Biomasse: Chemierohstoffe und Energieträger im Wandel der Zeit. Heidelberg, Baden-Württemberg, Deutschland: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-540-50712-3.
  3. ^ Zhang, Xiaoping; Su, Rui; Li, Jingling; Huang, Liping; Yang, Wenwen; Chingin, Konstantin; Balabin, Roman; Wang, Jingjing; Zhang, Xinglei; Zhu, Weifeng; Huang, Keke; Feng, Shouhua; Chen, Huanwen. Efficient catalyst-free N2 fixation by water radical cations under ambient conditions. Nature Communications. 2024, 15 (1): 1535. PMID 38378822. doi:10.1038/s41467-024-45832-9. 
  4. ^ Smil, Vaclav (2004). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 978-0-262-69313-4.
  5. ^ Hager, Thomas (2008). The Alchemy of Air. Harmony Books, New York. ISBN 978-0-307-35178-4.
  6. ^ Fertilizer Industry: Processes, Pollution Control and Energy Conservation by Marshall Sittig (1979) Noyes Data Corp., N.J. ISBN 978-0-8155-0734-5
  7. ^ "Heterogeneous Catalysts: A study Guide"
  8. ^ Jörg Albrecht. 100 Jahre Haber-Bosch-Verfahren: Brot und Kriege aus der Luft. FAZ.net. 2008-10-14 [2019-11-27].  |periodical=|work=ただ需其いち (帮助)页面そん档备份そん互联网档あんそん副本ふくほん. [2022-01-28]. 原始げんし内容ないようそん档于2022-03-31. 
  9. ^ Schirmer, Oliver (2002). Das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese. München, Bayern, Deutschland: GRIN Verlag. ISBN 978-3-638-22324-9.
  10. ^ BBC: Discovery - Can Chemistry Save The World? - 2. Fixing the Nitrogen Fix
  11. ^ 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. 
  12. ^ Sadao Tanaka,Masaru Ichikawa,Shuichi Naito,Mitsuyuki Soma:“BEHAVIOR OF HYDROGEN CHEMISORBED OVER THE ELECTRON DONOR--ACCEPTOR COMPLEXES OF AROMATIC HYDROCARBONS WITH SODIUM IN THE HYDROGEN EXCHANGE AND HYDROGENATION REACTIONS”,《Bulletin of the Chemical Society of Japan》 41(5):1278-1278,January 1968
  13. ^ Process for the production of ammonia, US Patent number: 4271136,Filed: October 2, 1979;Date of Patent: June 2, 1981;Assignee: The British Petroleum Company Limited;Inventor: Stephen R. Tennison. [2018-12-21]. (原始げんし内容ないようそん于2018-12-21). 
  14. ^ Scheffer, Fritz und Blume, Hans-Peter und Brümmer. Gerhard W. und Schachtschabel, Paul et al. (2010). Scheffer/Schachtschabel: Lehrbuch der Bodenkunde. Heidelberg, Baden-Württemberg, Deutschland: Spektrum Akademischer Verlag, 16. Auflage. ISBN 978-3-8274-1444-1.
  15. ^ Wünsch, Karl-Heinz und Sommer, Ursula und Zettler, Manfred (1998). Wissensspeicher: Chemie: Nachschlagewerk. Berlin, Deutschland: Volk und Wissen Verlag. ISBN 978-3-06-031724-0.