哈伯法

哈伯法，也称为 Haber–Bosch 过程，是一种人工固氮过程，是当今生产氨的主要工业过程。 它以其发明者、德国化学家 Fritz Haber 和 Carl Bosch 的名字命名，他们在 20 世纪头十年开发了它。 该过程通过在高温高压下使用金属催化剂与氢气 (H2) 发生反应，将大气中的氮气 (N2) 转化为氨气 (NH3)：

N 2 + 3 H 2 ⟶ 2 NH 3 Δ H ∘ = − 91.8 kJ/mol {\displaystyle {\ce {N2 + 3 H2 -> 2 NH3}}\quad \Delta H{\circ }=-91.8~{\text{kJ/mol}}}

尽管这种反应是放热的（即它释放能量，尽管不是很多），但它会导致熵减少，这是实施起来非常具有挑战性的主要原因。

在哈伯法发展之前，很难以工业规模生产氨，早期的方法，如 Birkeland-Eyde 工艺和 Frank-Caro 工艺，效率都非常低。

xxx次世界大战期间，哈伯法为德国提供了生产炸药的氨源，补偿了协约国对智利硝石的贸易封锁。

在 19 世纪，用作肥料和工业原料的硝酸盐和氨的需求一直在稳步增长。 主要来源是从热带岛屿开采硝石矿床和鸟粪。 20 世纪初，人们预测这些储量将无法满足未来的需求，因此对氨的新潜在来源的研究变得更加重要。 尽管大气中的氮 (N2) 含量丰富，约占空气的 78%，但它非常稳定，不易与其他化学物质发生反应。 将 N2 转化为氨对全球化学家提出了挑战。

Haber 和他的助手 Robert Le Rossignol 开发了在实验室规模上展示哈伯法所需的高压设备和催化剂。 他们在 1909 年夏天通过从空气中以每小时约 125 毫升（4 美制液量盎司）的速度一滴一滴地生产氨来展示他们的工艺。 该工艺由德国化学公司 BASF 购买，该公司将 Haber 的台式机器扩大到工业级生产的任务分配给 Carl Bosch。 他于 1910 年取得成功。哈伯和博世后来分别于 1918 年和 1931 年获得诺贝尔奖，以表彰他们在克服大规模、连续流、高压技术的化学和工程问题方面所做的工作。

1913 年，巴斯夫在德国的 Oppau 工厂首次使用哈伯法工业规模生产氨，次年达到每天 20 吨。 xxx次世界大战期间，军火的生产需要大量的硝酸盐。 盟军获得了由英国公司控制的智利（智利硝石）的大量硝酸钠矿藏。 德国没有这样的资源，所以哈伯法被证明对德国的xxx努力至关重要。 来自哈伯法的合成氨被用于生产硝酸，硝酸是炸药中使用的硝酸盐的前体。

今天，最流行的催化剂是基于铁的，用 K2O、CaO、SiO2 和 Al2O3 促进。 早些时候，钼也被用作促进剂。 最初的 Haber–Bosch 反应室使用锇作为催化剂，但可用量极少。 哈伯指出，铀几乎与锇一样有效，而且更容易获得。 1909 年，在 Bosch 的指导下，BASF 研究员 Alwin Mittasch 发现了一种便宜得多的铁基催化剂，这种催化剂至今仍在使用。 阐明这种催化作用的主要贡献者是 Gerhard Ertl。

在两次世界大战期间，开发了替代工艺，最显着的不同是 Casale 工艺、Claude 工艺和由 Friedrich Uhde Ingenieurbüro 于 1921 年创立的 Mont-Cenis 工艺。Luigi Casale 和 Georges Claude 提议增加合成回路的压力 至 80–100 MPa（800–1,000 bar；12,000–15,000 psi），从而提高单程氨转化率并使在环境温度下几乎完全液化成为可能。 Georges Claude 甚至提议将三个或四个串联的液化步骤转化器，从而省去再循环的需要。

如今，大多数工厂类似于最初的哈伯法（20 MPa（200 bar；2,900 psi）和 500 °C（932 °F）），尽管由于工艺和催化剂优化而提高了单程转化率并降低了能耗。

这种转化通常在高于 10 MPa（100 巴；1,450 psi）和 400 至 500 °C（752 至 932 °F）的压力下进行，因为气体（氮气和氢气）通过四个催化剂床，并进行冷却 在每次通过之间保持合理的平衡常数。 每次通过时只有大约 15% 的转化率发生，但任何未反应的气体都会被回收，最终达到 97% 的总转化率。