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)是一种通过
氮气及
氢气产生
氨气(NH3)的方法。
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)是一种通过
氮气及
氢气产生
氨气(NH3)的方法。
选择高温的条件是为了提高反应速率,但因为此反应是
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,氮氮叁键键能很大(941 KJ/mol),化学性质十分稳定。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。直到20世纪初期,德国的弗里茨·哈伯(Fritz Haber)和卡尔·博施(Carl Bosch)才开发出大气中的氮转化为可提供营养的氨的第一个实用过程来。在哈伯过程发现之前,氨一直难以在工业规模上生产。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。而氨做为炸药的原材料,之前,德国要制作氨气需要从
智利进口
硝酸钠,哈伯过程使得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,而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。
这个实验首先在1908年由
弗里茨·哈伯进行。于1910年,Carl Bosch于
德国巴斯夫化学公司工作时,成功把这个实验商业化,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。哈伯亦以此项发明获得1918年
诺贝尔化学奖。
合成氨的原料氮气来自于
空气(以液态空气的分馏取得),氢气来自于
水和
燃料。原料气包含杂质,因此在参与反应前需要去除杂质,即原料气的净化。
接下来二氧化碳可经
2-氨基乙醇溶液吸收或使用
变压吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA,在此使用具有专利的固态吸附媒介)清除。
制备氢的最后步骤是以使用催化剂的
甲烷化(methanation)移除在氢气中残留的少量一氧化碳及二氧化碳:
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(10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。