哈柏法
通过氮气、氢气产生氨气的方法
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)是一种通过氮气氢气产生氨气(NH3)的方法。
简介
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)是一种通过氮气氢气产生氨气(NH3)的方法。
氮气及氢气在200个大气气压及摄氏400度,通过一个铁化合物的催化剂(Fe3+),会发生化学作用,产生氨气。在这个情况下,产量一般是10-20%。
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。
历史
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
制氨原料的制备
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。
第一步先把原料中的硫化物清除,是因为硫化物会毒害哈柏法所使用的催化剂催化加氢可以把有机硫化物变成硫化氢
产生的硫化氢会被氧化锌吸收,变成水和硫化锌
在镍的催化下与水反应,经脱硫的碳氢化合物(如甲烷)转变成氢气和一氧化碳的混合物:
一氧化碳与水反应,转化成二氧化碳及制造更多的氢气:
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。
反应过程
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。
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参考资料
最新修订时间:2022-08-25 16:53
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