Haber工艺或Haber-Bosch工艺——氮和氢的氨
Haber工艺或Haber-Bosch工艺是用于制造氨或固氮的主要工业方法。 Haber过程使氮气和氢气反应形成氨:
N2 + 3 H2→2 NH3(ΔH= -92.4 kJ·mol-1)
哈伯过程的历史
德国化学家Fritz Haber和英国化学家Robert Le Rossignol在1909年展示了第一个氨合成工艺。他们从加压空气中逐滴形成氨。然而,该技术不存在将该桌面设备所需的压力扩展到商业生产。巴斯夫的工程师Carl Bosch解决了与工业氨生产相关的工程问题。巴斯夫的德国Oppau工厂于1913年开始生产氨。
Haber-Bosch过程如何运作
Haber的原始工艺从空气中制成氨。工业Haber-Bosch工艺在含有特殊催化剂的压力容器中混合氮气和氢气以加速反应。从热力学观点来看,氮气和氢气之间的反应在室温和压力下有利于产物,但反应不会产生很多氨。反应是放热的;在升高的温度和大气压力下,平衡迅速切换到另一个方向。因此,催化剂和增加的压力是该过程背后的科学魔力。
Bosch过程的原始催化剂是锇,但巴斯夫很快就选择了一种价格较低的铁基催化剂,这种催化剂至今仍在使用。一些现代方法使用钌催化剂,其比铁催化剂更有活性。
尽管Bosch过程最初电解水以获得氢气,但该工艺的现代版本使用天然气来获得甲烷,甲烷经过处理以获得氢气。据估计,世界天然气产量的3-5%用于Haber工艺。
气体多次通过催化剂床,因为每次转化成氨仅为约15%。到该过程结束时,实现了约97%的氮和氢转化成氨。
哈伯过程的重要性
有些人认为Haber过程是过去200年来最重要的发明! Haber过程重要的主要原因是因为氨被用作植物肥料,使农民能够种植足够的作物以支持不断增加的世界人口。 Haber工艺每年供应5亿吨(4530亿公斤)氮基肥料,估计可为地球上三分之一的人提供食物。
与哈伯过程也有负面联系。在第一次世界大战中,氨用于生产硝酸以制造弹药。一些人认为人口爆炸,无论好坏,如果没有因肥料而增加的食物供应就不会发生。此外,氮化合物的释放对环境产生了负面影响。