Claudia Flavell-Zatímco profily svět-měnící se úsilí Fritz Haber a Carl Bosch,
Žádné chemické inženýrství lépe ilustruje dvousečný charakter mnoha vynálezů než Haber-Bosch proces., Proces Haber-Bosch, vyvinutý průmyslovým chemikem Fritzem Haberem a upravený chemickým inženýrem Carlem Boschem, odebírá ze vzduchu dusík a převádí jej na amoniak.
to umožnilo poprvé vyrábět syntetická hnojiva a produkovat dostatečné množství potravin pro rostoucí populaci Země. Bez procesu Haber-Bosch bychom skutečně dokázali vyrobit pouze asi dvě třetiny množství jídla, které dnes děláme, a populace země by se musela odpovídajícím způsobem zmenšit.,
na flipside je dusík také klíčovou surovinou při výrobě vysokých výbušnin. Když Německo vyčerpalo dodávky přírodního amoniaku v raných fázích první světové války, syntetický amoniak tam byl, aby zaplnil mezeru. Bez procesu Haber-Bosch by byla první světová válka podstatně kratší.
Haber, dokonalý vlastenec, by později získat proslulost díky své práci o použití chemikálií do Německa je výhoda v první Světové Válce, a osobně dohlížel a řídil první ve velkém měřítku vydání chlorem v Ypres v roce 1915.,
odvrácení hladomoru
nicméně je to proces Haber-Bosch a jeho příspěvek k výživě rostoucí světové populace, na kterou je nejlépe pamatován, a správně. S příchodem průmyslového věku a velkým přesunem do měst byla hnojiva nezbytná pro doplňování půdy živinami. Přírodní hnojiva, jako je Chilské guano, byly omezeným zdrojem-pokud věda nepřišla na záchranu, hladomor určitě následoval.
řešení problému získalo Haber a Bosch dvě Nobelovy ceny v chemii: Haber v roce 1918, Bosch v roce 1931.,
problém s dusíkem je, že, i když je bohatý na atmosféry, jeho triple dluhopisy, aby dusík molekuly neuvěřitelně stabilní, a proto je těžké opravit. Haber byl jedním ze skupiny chemiků, který také zahrnoval Walther Nernst a Henry Le Chatelier, který se rozhodl řešit problém.,
Bez Haber-Bosch proces bychom jen být schopen produkovat přibližně dvě třetiny množství potravin, které dnes děláme,
Cest a slepých uliček
Haber zpočátku pokoušel produkovat oxid dusnatý, s pomocí elektrických výbojů, napodobování přírodních procesů během bouřky. Výnos byl ale tak nízký a proces tak obtížný, že ho Haber odmítl jako nepraktický.
Haber další zkoumány vysokoteplotní syntéza, s určitým úspěchem, a dokonce podařilo vyrobit malé množství dusíku v roce 1905., Byl však zklamán výnosem 5% při teplotách kolem 1000 ° C. Byly zapotřebí lepší katalyzátory nebo vyšší tlak, ale vysokotlaká syntéza byla v plenkách a vhodné vybavení vzácné. Opravdu, Le Chatelier, který byl první navrhnout stanovení dusíku pod vysokým tlakem, se vzdal po obzvláště robustní laboratorní exploze.
až v roce 1908 se Haber, který spolupracoval se svým studentem Robertem Le Rossignolem, rozhodl řešit vysokotlakou trasu. Byla to dobrá volba., Jeden rok, oni patentovaný proces, který přinesl 15% amoniak, pracující při tlaku kolem 175 atmosfér při 550ºC nad osmium a uranu katalyzátor.
Z laboratoře na průmysl
tento proces byl brzy přiřazen k Badische Anilin und Soda Fabrik (lépe známý dnes pod zkratkou, BASF), což za úkol chemický inženýr Carl Bosch s rozšiřovací proces., Bosch později řekl: „bylo zřejmé, že existují tři hlavní problémy, které musely být nutně vyřešeny před zahájením výstavby závodu. Jednalo se o dodávky surovin, tedy plynů vodíku a dusíku, za nižší cenu, než bylo dosud možné; výroba účinných a stabilních katalyzátorů; a nakonec konstrukce přístroje.,“
Levné a veselá
Haberův proces výroby vodíku prostřednictvím elektrolýzy se nehodí pro scale-up. Ani žádný z dalších známých procesů výroby vodíku, které byly buď příliš drahé, nebo produkovaly vodík s příliš mnoha nečistotami.
Bosch a jeho tým se nakonec usadili na vodě – plynu-syntézním plynu sestávajícím z vodíku a oxidu uhelnatého – jako jediného praktického řešení., Společnost získává čistý vodík pomocí nedávno vyvinuté Linde-Frank-Caro proces, který ochlazuje vodu plynu v několika krocích-205ºC, na kterém místě všechny prvky kromě vodíku zkapalnit.
druhým hlavním přínosem bylo nahrazení katalyzátoru osmia uranu praktičtější alternativou. Osmium bylo nevhodné pro měřítko, protože globální dodávky činily pouze několik kilogramů, a uranu bylo drahé a velmi citlivé na vodu a kyslík. Trvalo Bosch asistent, chemik Alwin Mittasch, někteří 20,000 experimenty ideální smíšené katalyzátor na bázi oxidů železa., Byl to první svého druhu, a hrál stejně jako osmium a uran, a byl snadno dostupný a levný. Katalyzátor se stále používá a Mittasch je připomínán jako jeden z velkých průkopníků katalytické chemie.
tlakové nádoby
Bosch se domnívá, že jeho největším počinem bylo řešení třetího problému, jak postavit reaktor, který by odolal jak vysokým teplotám, tak vysokým tlakům reakce. Vysokotlaká chemie byla stále velmi novým oborem a vhodné vybavení bylo nedostatečné., Jediným existujícím vysokotlakým procesem byl proces zkapalňování vzduchu Linde, nízkoteplotní proces, který používal měkký pájený měděný reaktor, který byl zcela nevhodný pro vysokoteplotní aplikace.
Bosch měl za úkol vymyslet nový laboratorní reaktor, pro který přestavěl původní Haberův návrh na robustní a spolehlivý reaktor. Několik 24 příkladů běželo nepřetržitě několik let, zatímco Mittasch hledal perfektní katalyzátor.,
malá reakční komory neměl žádné problémy Bosch byl na setkání v rozsahu-up: vnější tlak-ložiska části byly natolik malé, že chlazení vzduchu bylo dostatečné, aby jim udržet stabilní, a tam byl jen mírný mechanické namáhání na vnitřní části.“tento stav se brzy změnil, když jsme začali stavět menší měnič jako výrobní přístroj,“ uvedl Bosch. Když Haber provedl podobný pokus, zařízení selhalo po několika hodinách provozu, takže tým Bosch navrhl jako reakční komoru velmi robustní, externě vyhřívanou kontaktní trubici., Dokonce tak, že si žádné šance: „Být opatrný, měli jsme ubytováni v silné, vyztužené betonové komory daleko od všech rušných středisek, činností, protože do té doby jsme měli také seznámit se s nebezpečím požárů a flarebacks, které se vyskytují, často s spontánní zapalování, když se vodík vzniká při vysokém tlaku,“ řekl.
bylo to moudré opatření: po 80 hodinách provozu se materiál stal křehkým a trubky praskly. Ukázalo se, že vodík dekarbonizoval perlit v uhlíkové oceli a vytvořil křehkou slitinu se železem.,
Bosch vyřešil problém tím, že navrhne první lemované reakční komory – tlak-ložiskové oceli bunda, tence lemované měkké oceli. Vodík byl schopen rozptýlit podšívkou a bylo mu umožněno uniknout drážkami a otvory v plášti, aby se zabránilo nebezpečnému nárůstu tlaku.
“ řešení se zdálo jednoduché a bylo ve skutečnosti tak, ale celý vývoj procesu na něm závisel ve větší či menší míře,“ řekl Bosch.,
Bezpečnostní pokyny
Ne že by to bylo to poslední, Bosch problémů: výměník tepla byl příliš neefektivní, tlak-ložiskové oceli bundy stále tendenci spony a explodovat po delším provozu – problém, jen překonat, když Bosch, v přestávce s úmluvou z časů, pokusil topení reaktor zevnitř – a kompresory, které jsou nespolehlivé a tendenci k úniku. To představuje nepřijatelné riziko, když unikající plyn je vodík; nemluvě o tom, že žádná chemická továrna nemůže pracovat s kompresory, které selhávají alespoň jednou denně.,
Bosch tým nejen vybudovala vlastní kompresory, to také musel navrhovat a vyrábět své vlastní nástroje pro monitorování pro měření teploty, intenzity proudu plynů a složení plynu v reakční komoře – off-the-police zařízení 20 let, ale neslýchané, když Bosch zmenšen Haber zařízení.
Bosch si také velmi dobře uvědomoval zdraví a bezpečnost a navrhl řadu rychle působících bezpečnostních ventilů a dalších zařízení, aby bylo možné zařízení vypnout a evakuovat rekordní rychlostí., „V průběhu let jsme byli schopni sklidit dostatečné zkušenosti, zejména během války, kdy Oppau práce byly bombardovány noc co noc, a my jsme stále toho názoru, že dnes nikdo nemůže být dost opatrný,“ řekl.
Příroda ví nejlépe
první závod použít Haber-Bosch proces v průmyslovém měřítku začala až v BASF Oppau v roce 1913. Téměř 100 let se nic moc nezměnilo a proces se stále používá po celém světě.,
Nicméně, Haber předpověděl, že se to změní: „Dusík bakterie nás učí, že Příroda, s ní sofistikované formy chemii živé hmoty, přesto chápe a využívá metody, které jsme dosud vědět, jak to napodobit. Stačí, aby mezitím zlepšená hnojení dusíkem půdou přineslo lidstvu nové výživné bohatství a že chemický průmysl přichází na pomoc farmáři, který v dobré zemi mění kameny na chléb.“
původně publikováno v březnu 2010
Napsat komentář