哈柏法

哈柏法

哈伯法（也稱哈伯-博施法，德文：Haber-Bosch-Verfahren，英文：Haber Process，也稱Haber-Bosch process或Fritz-Haber Process）是一種通過氮氣及氫氣產生氨氣（NH3）的方法。

基本介紹

  • 中文名：哈柏法
  • 外文名：Haber Process
  • 涵義：氮氣及氫氣產生氨氣過程
簡介,歷史,制氨原料的製備,反應過程,參看,

簡介

哈伯法（也稱哈伯-博施法，德文：Haber-Bosch-Verfahren，英文：Haber Process，也稱Haber-Bosch process或Fritz-Haber Process）是一種通過氮氣及氫氣產生氨氣（NH3）的方法。
氮氣及氫氣在200個大氣氣壓及攝氏400度，通過一個鐵化合物的催化劑（Fe3+），會發生化學作用，產生氨氣。在這個情況下，產量一般是10-20%。
選擇高溫的條件是為了提高反應速率，但因為此反應是放熱反應，在此條件下平衡後的產率反而較低溫時為低。氮是限制植物生長的一個關鍵的礦質營養。儘管碳和氧也很關鍵，但很容易被植物從土壤和空氣中獲得。雖然大氣中的空氣是78%的氮氣，但大氣中的氮是不可用的營養，因為氮分子，氮氮叄鍵鍵能很大（941 KJ/mol），化學性質十分穩定。氮必須被“固定”，即通過自然或人為的過程轉換成某種生物可利用的形式。直到20世紀初期，德國的弗里茨·哈伯（Fritz Haber）和卡爾·博施(Carl Bosch)才開發出大氣中的氮轉化為可提供營養的氨的第一個實用過程來。在哈伯過程發現之前，氨一直難以在工業規模上生產。由哈伯過程中產生的氨產生的肥料，估計是負責維持三分之一的地球人口。而氨做為炸藥的原材料，之前，德國要製作氨氣需要從智利進口硝酸鈉，哈伯過程使得得德國可以解除禁運對材料取得的困難，也引發了一戰的膠著，而戰後則在人口爆炸上貢獻巨大，據估計，人類中的一半的蛋白質中的氮是由用這種方法達到最初的固定的，而其餘氮是由固氮細菌和古細菌生產的。

歷史

這個實驗首先在1908年由弗里茨·哈伯進行。於1910年，Carl Bosch於德國巴斯夫化學公司工作時，成功把這個實驗商業化，使之符合成本效益。這個實驗最早期於1911年被德軍於第一次世界大戰使用。之前，德國要製作氨氣需要從智利進口硝酸鈉，但由於戰爭使其供應不穩定。哈伯亦以此項發明獲得1918年諾貝爾化學獎。

制氨原料的製備

合成氨的原料氮氣來自於空氣（以液態空氣的分餾取得），氫氣來自於水和燃料。原料氣包含雜質，因此在參與反應前需要去除雜質，即原料氣的淨化。
第一步先把原料中的硫化物清除，是因為硫化物會毒害哈柏法所使用的催化劑。催化加氫可以把有機硫化物變成硫化氫：
  • H2+ RSH → RH + H2S(g)
產生的硫化氫會被氧化鋅吸收，變成水和硫化鋅：
  • H2S + ZnO → ZnS + H2O
在鎳的催化下與水反應，經脫硫的碳氫化合物（如甲烷）轉變成氫氣和一氧化碳的混合物：
  • CH4+ H2O → CO + 3 H2
一氧化碳與水反應，轉化成二氧化碳及製造更多的氫氣：
接下來二氧化碳可經2-氨基乙醇溶液吸收或使用變壓吸附（Pressure Swing Adsorption,PSA,在此使用具有專利的固態吸附媒介）清除。
製備氫的最後步驟是以使用催化劑的甲烷化(methanation)移除在氫氣中殘留的少量一氧化碳及二氧化碳:
  • CO + 3 H2→ CH4+ H2O
  • CO2+ 4 H2→ CH4+ 2 H2O
水蒸氣重組，一氧化碳變換，清除二氧化碳及甲烷化的步驟在25至35巴（10帕）的壓強進行。由於化石燃料短缺，制氨用的氫理論上可以用水的電解（現今4%的氫由電解製備）或熱化裂解（thermal chemical cracking）製得，但現在來說，這些方法都是不實際的。熱裂解所需的熱能可以從核能反應中取得，而風力發電、太陽能發電及水力發電產的的過剩電能可以用來電解水制氫。現在為止，從空氣及燃料制氨以外的替代方案是不經濟的，而且這些方法對環保的作用仍未被確定。

反應過程

合成氨的反應是在高壓環境的合成塔中完成的，氮氣和氫氣混合後經過壓縮從塔的上部進入合成塔。經過合成塔下部的熱交換器，混合氣體的溫度升高，並進入放有觸媒（催化劑）的接觸室。在接觸室，一部分氮氣和氫氣發生反應，合成了氨，混有氮氣，氫氣和氨氣的混合氣體經過熱交換器離開合成塔。混合氣體要經由冷凝器，將氨液化，因而將氨分離出來，而氮氣和氫氣的混合氣體經壓縮再次送入合成塔，形成循環。 這樣做節省原料，循環利用。硫酸合成工業中也有類似套用。

參看

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