Claudia Flavell-Míg a profilok a világ-változó erőfeszítéseket Fritz Haber, valamint Carl Bosch
Nem kémiai mérnöki bravúr jobban szemlélteti a kétélű jellege sok találmányok, mint a Haber-Bosch folyamat., Fritz Haber ipari kémikus és Carl Bosch vegyészmérnök által kifejlesztett Haber-Bosch eljárás nitrogént vesz fel a levegőből és ammóniává alakítja.
Ez először tette lehetővé a szintetikus műtrágyák előállítását és a Föld növekvő népességének megfelelő táplálék előállítását. A Haber-Bosch-folyamat nélkül ugyanis csak a jelenlegi élelmiszermennyiség mintegy kétharmadát tudnánk előállítani, és a Föld lakosságának ennek megfelelően kellene zsugorodnia.,
a flipside, nitrogén is kulcsfontosságú nyersanyag a termelés nagy robbanóanyagok. Amikor Németország az első világháború korai szakaszában kimerítette a természetes ammónia készletét, szintetikus ammónia volt ott, hogy kitöltse a rést. A Haber-Bosch folyamat nélkül az első világháború lényegesen rövidebb lett volna.
Haber, tökéletes hazafi, később nyereség hírhedtté keresztül a munka vegyszerek használata Németország előnye az i. világháború, illetve személyesen felügyelte, majd utasította az első nagyszabású kiadás klór gáz Ypres 1915-ben.,
az éhínség elkerülése
Mindazonáltal ez a Haber-Bosch folyamat és annak hozzájárulása a világ növekvő népességének táplálásához, amelyre a legjobban emlékeznek, és helyesen. Az ipari kor megjelenésével és a városokba való nagy költözéssel a műtrágyák nélkülözhetetlenek voltak a talaj tápanyagokkal való feltöltéséhez. A természetes trágyák, mint például a chilei guano, korlátozott erőforrások voltak – ha a tudomány nem jött a megmentésre, az éhínség biztosan követni fogja.
a probléma megoldása Haber és Bosch két kémiai Nobel-díjat kapott: Haber 1918-ban, Bosch 1931-ben.,
a nitrogénnel kapcsolatos probléma az, hogy bár bőséges a légkörben, hármas kötései hihetetlenül stabilvá teszik a nitrogénmolekulát, ezért nehéz megjavítani. Haber egy vegyészcsoport tagja volt, akik között volt Walther Nernst és Henry Le Chatelier is, akik úgy döntöttek, hogy megoldják a problémát.,
A Haber-Bosch folyamat nélkül csak a ma fogyasztott élelmiszer mennyiségének kétharmadát tudnánk előállítani
utak és vak sikátorok
Haber kezdetben elektromos kisülések segítségével próbált nitrogén-oxidot előállítani, a vihar során a természetes folyamatokat utánozva. De a hozam olyan alacsony volt, és a folyamat annyira megterhelő, hogy Haber elutasította, hogy praktikus.
Haber ezután a magas hőmérsékletű szintézist vizsgálta, némi sikerrel, sőt 1905-ben még kis mennyiségű nitrogént is sikerült előállítania., De csalódott volt az 5% – os hozammal, körülbelül 1000ºc hőmérsékleten. Jobb katalizátorokra vagy nagyobb nyomásra volt szükség, de a nagynyomású szintézis még gyerekcipőben járt, és a megfelelő berendezések szűkösek voltak. Valójában Le Chatelier, aki elsőként javasolta a nitrogén nagynyomású rögzítését, egy különösen izmos laboratóriumi robbanás után feladta.
csak 1908-ban Haber, aki diákjával, Robert Le Rossignollal dolgozott, úgy döntött, hogy kezeli a nagynyomású útvonalat. Jó választás volt., Egy év múlva szabadalmaztattak egy eljárást, amely mintegy 15% ammóniát eredményezett, körülbelül 175 atmoszféra nyomáson, 550 ° C-on, ozmium és urán katalizátor felett.
A labor ipar
A folyamat hamarosan rendelni Badische Anilin und Üdítőt Fabrik (jobban ismert, ma a rövidítés, BASF), amelynek feladata, vegyészmérnök Carl Bosch a méretezés fel a folyamatot., A Bosch később azt mondta: “nyilvánvaló volt, hogy három fő probléma merül fel, amelyeket szükségszerűen rendezni kell, mielőtt egy üzem építése megkezdődne. Ezek a nyersanyagok, azaz a hidrogén-és nitrogéngázok az eddig lehetségesnél alacsonyabb áron történő szállítása, hatékony és stabil katalizátorok gyártása, végül pedig a készülék építése voltak.,”
Haber elektrolízissel történő hidrogéntermelési folyamata nem volt alkalmas a méretre. A többi ismert hidrogéntermelési folyamat sem, amelyek vagy túl drágák voltak, vagy túl sok szennyeződéssel előállítottak hidrogént.
Bosch és csapata végül vízgázzal-hidrogénből és szén – monoxidból álló szintézis gázzal – telepedtek le, mint az egyetlen gyakorlati megoldást., A vállalat tiszta hidrogént extrahált a nemrégiben kifejlesztett Linde-Frank-Caro eljárással,amely több lépésben hűti a vízgázt-205ºc-ra, ekkor a hidrogén cseppfolyósításán kívül minden elem.
a második jelentős hozzájárulás Az urán ozmium katalizátor helyettesítése volt egy praktikusabb alternatívával. Az ozmium nem volt alkalmas a méretre, mivel a globális készlet mindössze néhány kilogrammot tett ki, az urán pedig drága volt, és nagyon érzékeny volt a vízre és az oxigénre. A Bosch asszisztense, Alwin Mittasch kémikus, mintegy 20 000 kísérletre volt szükség a vas-oxid alapú vegyes katalizátor tökéletesítéséhez., Ez volt az első a maga nemében, és végzett, valamint az ozmium és urán, és könnyen elérhető és olcsó. A katalizátor ma is használatban van,Mittasch pedig a katalitikus kémia egyik nagy úttörője.
nyomástartó edények
Bosch úgy véli, hogy a legnagyobb bravúr a harmadik probléma megoldása volt, hogyan lehet olyan reaktort építeni, amely ellenáll mind a magas hőmérsékletnek, mind a reakció magas nyomásának. A nagynyomású kémia még mindig nagyon új terület volt, és a megfelelő berendezések hiányoztak., Az egyetlen létező nagynyomású folyamat a Linde levegő cseppfolyósítási folyamata volt, egy alacsony hőmérsékletű eljárás, amely lágy forrasztott rézreaktort használt, amely teljes mértékben alkalmatlan volt a magas hőmérsékletű alkalmazásokra.
A Bosch első feladata egy új laboratóriumi reaktor kidolgozása volt, amelyhez Haber eredeti tervét robusztus, megbízható reaktorgá alakította át. Néhány 24 példák futott éjjel-nappal több éve, míg Mittasch keresett a tökéletes katalizátor.,
a kis reakciókamrákban nem volt olyan probléma, hogy a külső nyomástartó részek elég kicsik voltak ahhoz, hogy a léghűtés stabil maradjon, a belső részeken pedig csak enyhe mechanikai feszültség volt.
“Ez a helyzet hamarosan megváltozott, amikor egy kisebb átalakítót gyártóberendezésként kezdtünk építeni” – mondta Bosch. Amikor Haber hasonló kísérletet tett, a készülék csak néhány órás működés után meghibásodott, így a Bosch csapata egy nagyon erős, külsőleg fűtött érintkezőcsövet tervezett reakciókamraként., Még így is, nem vitték el esélye, hogy: “Légy óvatos volt elhelyezve, hogy egy erős, vasbeton kamra, távol a forgalmas központok tevékenység, mivel időközben mi is megismerjék a veszély, a tüzet, flarebacks, amely fordul elő, gyakori a spontán gyulladás, amikor hidrogén kiderül, a magas vérnyomás,” mondta.
bölcs óvintézkedés volt: 80 órás szolgálat után az anyag törékennyé vált, és a csövek felrobbantak. Kiderült, hogy a hidrogén dekarbonizálta a perlitet a szénacélban, és törékeny ötvözetet alkotott a vassal.,
A Bosch megoldotta a problémát az első bélelt reakciókamra megtervezésével-egy nyomástartó acélkabát vékonyan bélelt puha acéllal. A hidrogén képes volt átterjedni a bélésen, és lehetővé tette, hogy a kabátban lévő hornyokon és lyukakon keresztül elkerülje a veszélyes nyomás felhalmozódását.
“a megoldás egyszerűnek tűnt, valójában így volt, de a folyamat teljes fejlődése nagyobb vagy kisebb mértékben függött tőle” – mondta Bosch.,
Biztonsági megfontolások
Nem, hogy ez volt az utolsó Bosch problémák: a hőcserélő volt túl hatékony, a nyomás-csapágy acél kabátok még mindig hajlamosak voltak a csatot, majd felrobban, hosszas művelet – a probléma csak legyőzni, amikor Bosch, egy kis szünetet, hogy az egyezmény az idők, próbáltam fűtés a reaktor belülről–, kompresszor, hogy nem megbízhatóak, általában szivárgás. Ez elfogadhatatlan kockázatot jelent, ha a kiáramló gáz hidrogén; nem is beszélve arról, hogy egyetlen vegyi üzem sem képes olyan kompresszorokkal dolgozni, amelyek legalább naponta egyszer meghibásodnak.,
Bosch csapat nem csak épült, saját kompresszorok, ez is kellett tervezés, készítsen saját ellenőrzési eszközökkel mérni a hőmérsékletet, az intenzitás, a gáz-patak, valamint a kompozíció, a gáz, a kamrában – off-the-shelf eszközök 20 éve, de ismeretlen, amikor Bosch felnagyított Haber eszköz.
A Bosch is nagyon tudatában volt az egészségnek és a biztonságnak, és számos gyors működésű biztonsági szelepet és egyéb berendezést tervezett, hogy az üzemet rekordsebességgel lehessen leállítani és kiüríteni., “Az évek során elegendő tapasztalatot tudtunk szerezni, különösen a háború alatt, amikor az Oppau-műveket éjjel-nappal bombázták, és ma is azon a véleményen vagyunk, hogy nem lehet túl óvatos” – mondta.
A természet tudja a legjobban
az első üzem, amely ipari méretekben alkalmazta a Haber-Bosch folyamatot, 1913-ban indult BASF Oppauban. Közel 100 éve semmi sem változott sokat, és a folyamat még mindig használják a világ minden tájáról.,
Haber azonban azt jósolta, hogy ez megváltozik: “a Nitrogénbaktériumok megtanítják nekünk, hogy a természet az élő anyag kémiájának kifinomult formáival még mindig megérti és alkalmazza azokat a módszereket, amelyeket még nem tudunk utánozni. Legyen elég annyi, hogy időközben a talaj jobb nitrogéntrágyázása új táplálkozási gazdagságot hoz az emberiségnek, és a vegyipar annak a mezőgazdasági termelőnek a segítségére siet, aki a jó földben a köveket kenyérré változtatja.”
eredetileg 2010 márciusában jelent meg
Vélemény, hozzászólás?