首页 >
哈伯法
✍ dations ◷ 2025-08-08 13:49:15 #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
- 生理节律睡眠障碍昼夜节律睡眠障碍(CRSD)是影响睡眠时间及其他方面的一种睡眠障碍 。患有昼夜节律睡眠障碍者无法在一般工作、学校和社会需求所需要的入睡时间睡着,或起床时间起床。如果允许他
- 环境雌激素环境雌激素(英语:Environmental estrogen,或称为仿雌激素、外源性雌激素 英语:Xenoestrogen),指进入人体后可产生具有模拟雌激素作用的环境毒素,会对生物有生殖方面的影响,使得幼体
- 复合性原理在数学、语义学和语言哲学中,复合性原理是指,一个复杂表达式的意义是由其各组成部分的意义以及用以结合它们的规则来决定的。复合性原理认为,在有意义的句子中,如果实词部分被从
- 傍人(属)傍人,是人族下的傍人属(学名:Paranthropus),是双足行走的史前人科成员,可能是由南方古猿演化而来。傍人曾经被分类为南猿属之中的粗壮型南猿。所有的傍人物种都是双足行走的,而大部
- 七大工业国集团七国集团(英语:Group of Seven,简称G7)是一个由世界七大发达国家经济体组成的国际组织,目前成员为美国、加拿大、英国、法国、德国、意大利及日本。组织成立于1973年,当时称为五国
- 土耳其人土耳其 63,589,988–65,560,701(2008 est. of 2015 pop.) 北塞浦路斯 315,000 d主要为伊斯兰教土耳其人 (土耳其语:Türkler)是土耳其共和国的主体民族(占人口70-75%),绝大多
- ΨPsi(大写Ψ,小写ψ,发音:/ˈpsaɪ/或/ˈsaɪ/,中文音译:普西),是第二十三个希腊字母。西里尔字母的Ѱ (Psi)是由Psi演变而成。符号Ψ或ψ用于:
- 郁金香参见正文郁金香在植物分类学上,是一类属于百合科郁金香属(学名:Tulipa)的具鳞茎草本植物,又称洋荷花、旱荷花、草麝香、郁香(《太平御览》)、红蓝花、紫述香(《本草纲目》),原产地从南
- 副驾驶副机师(英文:First Officer,缩写:FO)亦称副机长、副驾驶,可以分为初级和高级,职级比机长低,惟资历不一定比机长浅。副驾驶是航机内拥有第二指挥权的人,权力次于机长。副驾驶肩章上拥
- 路易·皮埃尔·阿尔都塞路易·皮埃尔·阿尔都塞(法语:Louis Pierre Althusser,1918年10月16日-1990年10月23日),另译阿图色,法国马克思主义哲学家。出生于阿尔及利亚,1937年进入里昂知名中学 Lycée du Par