Claudia Flavell-Kun profiilit maailman muuttuvan ponnisteluja Fritz Haber ja Carl Bosch
Ei ole kemiallisia engineering feat paremmin havainnollistaa kaksiteräinen luonne monet keksinnöt kuin Haber-Bosch-prosessi., Kehittänyt teollisuuden kemisti Fritz Haber ja skaalata ylös kemian insinööri Carl-Bosch, Haber-Bosch-prosessi kestää typpeä ilmasta ja muuntaa sen ammoniakkia.
Tämä mahdollisti ensimmäistä kertaa tuottaa synteettisiä lannoitteita ja tuottaa riittävästi ruokaa maailman kasvavalle väestölle. Todellakin, ilman Haber-Bosch prosessi, me vain voi tuottaa noin kaksi kolmasosaa määrä ruokaa meillä tänään, ja Maapallon väkiluku olisi kutistua vastaavasti.,
toisella puolen, typpi on myös keskeinen raaka-aine tuotannossa räjähteitä. Kun Saksa ensimmäisen maailmansodan alkuvaiheessa kulutti loppuun luonnollisen ammoniakin, synteetti-ammoniakki oli paikalla täyttämässä aukkoa. Ilman Haber-Boschin prosessia ensimmäinen maailmansota olisi ollut huomattavasti lyhyempi.
Haber, täydellinen patriootti, olisi myöhemmin saada mainetta kautta hänen työstään käyttäen kemikaaleja, Saksa on etu in World War I, ja hän henkilökohtaisesti valvoi ja ohjasi ensimmäisen laajamittainen vapauttaa kloorikaasua ypresissä vuonna 1915.,
Hallitsemattomana nälänhätä
Kuitenkin, se on Haber-Bosch prosessi, ja sen osuus ruokkia maailman kasvava väestö, että hän on paras muistaa, ja syystäkin. With kynnyksellä teollisen aikakauden, ja suuri muutto kaupunkeihin, lannoitteet olivat välttämättömiä täyttö maaperän ravinteita. Chilen guanon kaltaiset luonnonlannoitteet olivat rajallinen luonnonvara – jos tiede ei tullut apuun, nälänhätä seurasi varmasti perässä.
Ratkaista ongelma ansainnut Haber ja Bosch kaksi Nobel-Palkinnot kemian: Haber vuonna 1918, Bosch vuonna 1931.,
ongelma typpi on, että vaikka se on runsaasti ilmakehässä, sen kolmen hengen joukkovelkakirjoja tehdä typpi-molekyylin uskomattoman vakaa ja siksi vaikea korjata. Haber oli yksi ryhmä kemistit, että myös Walther Nernst ja Henry Le Chatelier, joka oli päättänyt tarttua ongelmaan.,
Ilman Haber-Bosch prosessi, me vain voi tuottaa noin kaksi kolmasosaa määrä ruokaa teemme tänään,
Reitit ja sokea kujia
Haber aluksi yritti tuottaa typpioksidia avulla sähkö purkautuu, jäljittelemällä luonnon prosessien aikana ukkonen. Tuotto oli kuitenkin niin alhainen ja prosessi niin työläs, että Haber piti sitä epäkäytännöllisenä.
Haber tutki seuraavaksi korkean lämpötilan synteesiä jonkin verran menestyksekkäästi ja onnistui jopa tuottamaan pienen määrän typpeä vuonna 1905., Hän oli kuitenkin pettynyt 5 prosentin tuottoon noin 1000 asteen lämpötiloissa. Tarvittiin parempia katalyyttejä tai korkeapainetta, mutta korkeapainesynteesi oli lapsenkengissä ja sopivat laitteet vähissä. Todellakin, Le Chatelier, jotka oli ensimmäinen ehdottaa vahvistamisesta typpeä korkeassa paineessa, luopui jälkeen erityisen mojova laboratoriossa räjähdys.
vasta vuonna 1908 Haber päätti yhdessä oppilaansa Robert le Rossignolin kanssa puuttua korkeapaineen reitille. Se oli hyvä valinta., Yksi vuosi, he patentoitu prosessi, joka tuotti noin 15% ammoniakin, toimivat paineen, joka on noin 175 tunnelmia klo 550ºC yli osmium ja uraanin katalysaattori.
laboratoriosta teollisuus
prosessi oli pian osoitetaan Badische Anilin und Soda Fabrik (tunnetaan paremmin tänään sen lyhenne, BASF), jonka tehtävänä on kemian insinööri Carl Bosch skaalaamaan ylös-prosessi., Bosch sanoi myöhemmin: ”oli ilmeistä, että oli kolme pääongelmaa, jotka oli välttämättä ratkaistava ennen kuin voimalan rakentaminen voitiin aloittaa. Nämä olivat raaka-aineiden, eli kaasut vety ja typpi, halvemmalla kuin tähän asti mahdollista; valmistuksessa tehokas ja vakaa katalyytit; ja lopuksi rakentamiseen laitteet.,”
Halpaa ja iloinen
Haber on prosessi tuottaa vetyä elektrolyysin kautta ei sovellu scale-up. Myöskään muut tunnetut vedyn tuotantoprosessit, jotka olivat joko liian kalliita tai tuottivat vetyä, jossa oli liikaa epäpuhtauksia.
Bosch tiimeineen asettui lopulta vedystä ja hiilimonoksidista koostuvaan synteesikaasuun ainoaksi käytännölliseksi ratkaisuksi., Yhtiö uuttaa puhdasta vetyä käyttämällä äskettäin kehitetty Linde-Frank-Caro prosessi, joka jäähdyttää vettä kaasun useita vaiheita -205ºC, jolloin kaikki elementit lukuun ottamatta vetyä nesteyttää.
toinen merkittävä osuus oli uraaniosmiumkatalyytin korvaaminen käytännöllisemmällä vaihtoehdolla. Osmium oli sopimaton mittakaavassa, koska maailmanlaajuinen toimitukset olivat vain muutaman kiloisiin, ja uraani oli kallista ja erittäin herkkä veden ja hapen. Se otti Bosch-avustaja, kemisti Alwin Mittasch, noin 20 000 kokeita täydellinen sekoitettu catalyst perustuu rautaoksidi., Se oli ensimmäinen laatuaan, ja suoritti sekä osmiumia ja uraania, ja oli helposti saatavilla ja halpa. Katalyytti on edelleen käytössä, ja Mittasch muistetaan yhtenä katalyyttisen kemian suurista pioneereista.
Paine alusten
Bosch katsoo hänen suurin saavutus oli ratkaista kolmas ongelma, miten rakentaa reaktori, joka kestää sekä korkeita lämpötiloja ja suuria paineita reaktion. Korkeapainekemia oli vielä hyvin Uusi ala,ja sopivia laitteita oli pulaa., Ainoa olemassa oleva korkea-paine prosessi oli Linde on ilman nesteytysprosessissa, matalan lämpötilan prosessi, joka käyttää pehmeää juotettu kupari-reaktori, joka oli täysin sovellu korkean lämpötilan sovellukset.
Bosch on ensimmäinen tehtävä oli laatia uusi laboratorio-reaktori, jonka hän uudelleen mallinnettu Haber on alkuperäisen suunnittelun osaksi vankka, luotettava reaktori. Noin 24 esimerkkiä juoksi ympäri vuorokauden useita vuosia, kun Mittasch etsi täydellistä katalysaattoria.,
pieni reaktio chambers ollut mitään ongelmia, Bosch oli kohdata scale-up: ulompi painetta kantavat osat olivat tarpeeksi pieni, että ilma jäähdytys on riittävä pitämään ne vakaina, ja siellä oli vain lievää mekaanista rasitusta sisä-osia.
”, Että tilanne oli pian muutos, kun aloimme rakentaa pienempiä converter kuin tuotannon laitteet,” Bosch sanoi. Kun Haber oli tehty samanlainen yritys, laite ei sen jälkeen vain pari tuntia toimintaa, niin Bosch on joukkue suunniteltu erittäin tukeva, ulkoisesti lämmitetty yhteyttä putki reaktio jaosto., Jopa niin, he ottivat riskejä: ”varovainen meillä oli majoitettu se vahva, teräsbetoni-jaosto kaukana kaikki kiireinen keskusten toimintaa sillä välin meillä oli myös perehtyä vaara tulipalot ja flarebacks joka esiintyy usein spontaania syttymistä, kun vetyä syntyy korkeassa paineessa”, hän sanoi.
– Se oli viisas varotoimi: kun 80 tuntia palvelua, materiaalia tuli hauras ja putket räjähtää. Kävi ilmi, että vety oli hiilettömillä, että perliitti carbon steel ja muodostivat hauras metalliseos raudan kanssa.,
Bosch ratkaisi ongelman suunnittelemalla ensimmäinen vuorattu reaktio jaosto – paine-laakeri teräs takki ohuesti vuorattu pehmeä teräs. Vetyä ei voi diffundoitua vuori ja oli sallittu paeta kautta uria ja reikiä takki, estää vaarallisen paineen muodostumisen.
”ratkaisu vaikutti yksinkertaiselta ja oli itse asiassa niin, mutta silti koko prosessin kehitys riippui siitä enemmän tai vähemmän”, Bosch sanoi.,
Turvallisuus
Ei siksi, että tämä oli viimeinen Bosch on ongelmia: lämmönvaihtimen oli liian tehoton, paine-laakeri teräs takit vielä yleensä solki ja räjähtää sen jälkeen, kun pitkäaikainen käyttö – ongelma vain voittaa, kun Bosch, tauko yleissopimuksen kertaa, yritti lämmitys reaktorin sisältä – ja kompressorit, että olivat epäluotettavia, ja ne yleensä vuotaa. Tämä aiheuttaa riskin, jota ei voida hyväksyä, jos ulos vuotava kaasu on vetyä; puhumattakaan siitä, että yksikään kemiantehdas ei voi työskennellä sellaisten kompressorien kanssa, jotka eivät toimi vähintään kerran päivässä.,
Bosch joukkue ei vain rakennettu oma kompressorit, se oli myös suunnitella ja tuottaa oman seurannan välineitä, joilla voidaan mitata lämpötila, intensiteetti kaasun stream ja koostumus kaasun reaktio jaosto – off-the-shelf-laitteet 20 vuotta, mutta ennenkuulumatonta, kun Bosch skaalata Haber on laite.
Bosch oli myös hyvin tietoinen terveydestä ja turvallisuudesta ja suunnitteli lukuisia nopeavaikutteisia varoventtiileitä ja muita laitteita, jotta voimala voitiin sulkea ja evakuoida ennätysnopeudella., ”Vuosien varrella olemme pystyneet teurastaa riittävä kokemus, varsinkin sota-aikana, kun Oppau toimii pommitettiin yö toisensa jälkeen ja olemme edelleen sitä mieltä tänään, että yksi ei voi olla liian varovainen”, hän sanoi.
Luonto tietää parhaiten,
ensimmäinen kasvi käyttää Haber-Bosch-prosessi teollisessa mittakaavassa alkoi ylös BASF Oppau vuonna 1913. Lähes 100 vuotta mitään paljon on muuttunut, ja prosessi on edelleen käytössä ympäri maailmaa.,
Kuitenkin, Haber ennusti, että tämä olisi muutos: ”Typpi bakteerit opettavat meille, että Luonto, hänen hienostunut muotoja kemia elävä asia, silti ymmärtää ja hyödyntää menetelmiä, jotka emme vielä tiedä, miten jäljitellä. Riittäköön, että tällä välin parantunut typen lannoitus maaperän tuo uusi ravintoaine rikkauksia ihmiskunnalle ja, että kemianteollisuus tulee tukea viljelijälle, joka, hyvä maa, muuttaa kivet leiviksi.”
julkaistiin alun perin maaliskuussa 2010
Vastaa