首页 >
哈伯法
✍ dations ◷ 2025-04-25 01:02:24 #哈伯法
哈伯法(也称哈伯-博施法,德文:Haber-Bosch-Verfahren,英文:Haber Process,也称Haber-Bosch process或Fritz-Haber Process)是通过氮气及氢气产生氨气(NH3)的过程。氮气及氢气在200个大气气压及摄氏400度,通过一个铁催化剂(Fe),会发生化学作用,产生氨气。在这个情况下,产量一般是10-20%。N
2
+
3
H
2
↽
−
−
⇀
2
NH
3
{displaystyle {ce {N2 +3H2 <=>2NH3}}}ΔHo, 反应焓变为-92.4 kJ/mol。选择较高温的条件是为了有较高反应速率,但因为正向反应是放热反应,在此条件下平衡后的产率反而较低温时为低。氮是限制植物生长的一个关键的矿质营养。尽管碳和氧也很关键,但很容易被植物从土壤和空气中获得。虽然大气中的空气是78%的氮气,但大气中的氮是不可用的营养,因为氮分子以强大的三键结合在一起。氮必须被“固定”,即通过自然或人为的过程转换成某种生物可利用的形式。1903年,合成氨反应才由德国科学家弗里茨·哈伯在1020℃常压条件下极微量的0.005%氨产生。弗里茨·哈伯提出通过封闭流程和循环操作工艺转化为氨。在哈伯过程发现之前,氨一直难以大规模生产。1908年2月,弗里茨·哈伯与巴斯夫公司达成协议。1909年,德国巴斯夫公司的卡尔·博施发现Os对合成氨的高效催化。1909年7月2日哈伯领导的研究小组首次用金属锇粉末催化剂,在高温高压设备中成功地生产出90g氨。巴斯夫公司的Alwin Mittasche(英语:Alwin Mittasche)提出合成氨的催化剂是多组分体系,经过一年半对2500种催化剂的6500次试验,最终发现最高效的含有钾-氧化铝助剂的铁催化剂,并沿用至今。1911年卡尔·博施研发成功第一台高压合成氨反应器(当时能受得住200个大气压的低碳钢因氢脆作用而腐蚀。最后在低碳钢的反应管加一层熟铁衬里解决 ),成功商业化,使之符合成本效益。这个实验最早期于1911年被德军于第一次世界大战使用。之前,德国要制作氨气需要从智利进口硝酸钠,但由于战争使其供应不稳定。1913年9月9日世界上第一套合成氨工业装置在路德维希港的Oppau建成投产,日产3~5t。哈伯亦以此项发明获得1918年诺贝尔化学奖。由哈伯过程中产生的氨产生的肥料,估计是负责维持三分之一的地球人口。而做为炸药的原材料,使得德国可以解除禁运对材料取得的困难,也引发了一战的胶着,战后则在人口爆炸上贡献巨大,据估计,人类中的一半的蛋白质中的氮是由用这种方法达到最初的固定的,而其余氮是由固氮细菌和古细菌生产的。1926年,德国法本公司采用温克勒炉气化褐煤成功合成氨。第二次世界大战结束后,以焦炭、煤为原料生产的氨约占一半以上。1968年,田中贞夫等最早根据生物固氮模型提出了过渡金属电子授受型氨合成理论。1979年,英国石油公司的斯蒂芬·罗伯特·坦尼森发现加碱助剂的钌活性炭催化剂有极佳的氨合成活性,要比传统铁基催化剂的活性高一个数量级,成为第二代合成氨工业催化剂。2007年,马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所(英语:Fritz Haber Institute of the Max Planck Society)的德国科学家格哈德·埃特尔因在“固体表面化学过程”研究中解释了工业合成氨催化原理而独享诺贝尔化学奖。他提出首先是氮分子在铁催化剂金属表面上进行化学吸附,使氮原子间的化学键减弱进而解离;接着是化学吸附的原子态氢不断地跟表面上的解离的氮原子作用,在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3,最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。他还确定了原有方法中化学反应中最慢的步骤—N2在金属表面的解离,这一突破有利于更有效地计算和控制人工固氮技术。氢气主要来源于固体燃料、重质烃、轻质烃或气体烃加热至高温并与水蒸气反应,生产含氢和一氧化碳为主的水煤气。一氧化碳进一步与水蒸气变换为氢气和二氧化碳。通过液化并分馏空气除去氧气得到氮气。得到的合成气还需经过纯化将残余的硫和碳的化合物脱除以防止催化剂中毒,即原料气的净化。。之后合成气经过压缩达到合成氨需要的压力,最后送进反应塔进行反应,由于合成氨的转化率较低,原料气可以回收再利用。水蒸气重组,一氧化碳变换,清除二氧化碳及甲烷化的步骤在25至35巴(105帕)的压强进行。
由于化石燃料短缺,制氨用的氢理论上可以用水的电解(现今4%的氢由电解制备)或热化裂解(thermal chemical cracking)制得,但现在来说,这些方法都是不实际的。热裂解所需的热能可以从核能反应中取得,而风力发电、太阳能发电及水力发电产的的过剩电能可以用来电解水制氢。现在为止,从空气及燃料制氨以外的替代方案是不经济的,而且这些方法对环保的作用仍未被确定。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。2012年全世界合成氨2.2亿吨,销售额超过1000亿美元。其中85%用于化肥。人均年消耗化肥31.1kg。人体中超过50%的氮来自合成氨。消耗能源3.5亿吨标准煤,占全球能源消耗总量2%;排放二氧化碳超过4亿吨,占全球排放总量1.6%。中国作为农业大国,高度重视合成氨工业。1949年,中国仅有大连、南京两家合成氨厂,产能4.5万吨。1992年产能2300万吨,其中4万吨以下1539家,10万吨以下55家,20~30万吨24家。2012年产能超过6000万吨。掌握了以焦煤、无烟煤、焦炉气、天然气、油田伴生气、液态烃等多种原料生产合成氨和尿素的技术,形成了以煤为主(占80%以上)、天然气为辅,淘汰了石油的原料格局。
相关
- 蚊源性疾病蚊子传播的疾病包括各种以蚊子为主要传播载体的疾病,包括有由病毒、寄生虫或其他病原体引起的疾病。在各种以动物为传播载体的疾病中,蚊子占有相当大的比重,从动物传动物、动物
- 洛矶山斑点热落矶山斑点热是在美国最严重及广泛报告的立克次体疾病,亦在美洲等地有病例。落矶山斑点热在其他国家亦被称为“蜱斑疹伤寒”、“托比亚热”(哥伦比亚)及“圣保罗热”或“斑疹热
- 孤立语系孤立语言,一般指与其他任何语言不存在亲属关系的自然语言,无法分类到任何已知语系中。知名的孤立语言如朝鲜语和日语(上述两者均存在争议)。孤立语言可以看做特殊的未分类语言,即
- 命题命题(proposition),在现代哲学、逻辑学、语言学中是指一个判断(陈述 (逻辑))的语义(实际表达的概念),这个概念是可以被定义并观察的现象。命题不是指判断(陈述)本身。当相异判断(陈述)具
- 老年痴呆阿尔茨海默病(拉丁语:Morbus Alzheimer、德语:Alzheimer-Krankheit、英语:Alzheimer's disease,缩写:AD),俗称早老性痴呆、老年痴呆,是一种发病进程缓慢、随着时间不断恶化的神经退化
- cccDNAcccDNA即共价闭合环状DNA (covalently closed circular DNA)是一种有三级结构的双链环状DNA分子,最早是在噬菌体中发现的,而在自然界中被DNA病毒(如多瘤病毒科)感染的其它细胞中
- 金邦杜语金邦杜语是安哥拉最常用的语言之一,主要使用人口在该国西北部,尤其是马兰热省。金邦杜语有11种方言:Ngola, Dembo, Jinga, Bondo, Bângala, Songo, Ibaco, Luanda, Quibala, L
- 特内里费空难特内里费空难(英语:Tenerife Disaster,荷兰语:Vliegtuigramp van Tenerife,西班牙语:Accidente de Los Rodeos,亦称加那利空难)是一宗发生于1977年3月27日傍晚的空难。两架波音747客
- 阿什莫尔和卡捷群岛阿什莫尔和卡捷群岛(Ashmore and Cartier Islands)是澳大利亚的海外领地,位于澳大利亚和印度尼西亚之间。无人口居住,陆地总面积约114400平方米。1印度尼西亚的部分地区和东帝汶
- 非肺部气流音非肺部气流音所产生的气流不从肺部发出,有搭嘴音、内爆音和挤喉音。与其相对的是肺部气流音。只有极少数语言拥有非肺部气流音。当符号成对出现时,左边的是清音,右边的是浊音。