フリッツ-ハーバーとカール-ボッシュ-世界を養う

クラウディア-フラベル-フリッツ-ハーバーとカール-ボッシュの世界を変える取り組みをプロファイルしながら

Top to Bottom:Fritz haber(Photo Courtesy Of Bundesarchiv,Bild183-S13651),carl bosch(photo courtesy of basf)

化学工学の偉業は、haber-Boschプロセスよりも多くの発明の両刃の性質をよりよく示していません。, 工業化学者Fritz Haberによって開発され、化学技術者Carl BoschによってスケールアップされたHaber-Boschプロセスは、空気から窒素を取り出してアンモニアに変換します。

これにより、初めて合成肥料を生産し、地球の人口増加のために十分な食糧を生産することが可能になりました。 確かに、ハーバー-ボッシュのプロセスがなければ、私たちは今日の食糧の三分の二の量を生産することしかできず、地球の人口はそれに応じて縮小しなければならないでしょう。,

フリップサイドでは、窒素は高爆薬の生産における重要な原材料でもあります。 第一次世界大戦の初期段階でドイツが天然アンモニアの供給を使い果たしたとき、合成アンモニアはそのギャップを埋めるためにそこにあった。 ハーバー-ボッシュのプロセスがなければ、第一次世界大戦はかなり短くなっていたでしょう。

ハーバー、完璧な愛国者は、後に第一次世界大戦でドイツの利点に化学物質を使用する上で彼の仕事を通じて悪評を得るだろう、と彼は個人的に1915年にYpresで塩素ガスの最初の大規模なリリースを監督し、指示しました。,

飢饉を回避する

それにもかかわらず、それはハーバー-ボッシュのプロセスと、彼が最もよく覚えている世界の人口の増加に貢献しています。 産業時代の到来と都市への大きな動きにより、肥料は土壌を栄養素で満たすために不可欠でした。 チリのグアノのような自然の肥料は限られた資源でした–科学が救助に来なかったら、飢饉は続くことは確かでした。

問題を解決することは、1918年にハーバー、1931年にボッシュ：化学でハーバーとボッシュ二つのノーベル賞を獲得しました。,

窒素の問題は、それが大気中に豊富であるが、その三重結合は、窒素分子を非常に安定にし、したがって固定することが困難である、ということです。 ハーバーは、この問題に取り組むことを決めたワルター-ネルンストとヘンリー-ル-シャトリエを含む化学者のグループの一人であった。,

ハーバー-ボッシュプロセスがなければ、私たちは今日私たちが行う食品の三分の二の量を生産することができるだろう

経路と盲目の路地

ハーバーは当初、雷雨の間に自然なプロセスを模倣して、放電の助けを借りて一酸化窒素を生成しようとしました。 しかし、収量は非常に低く、プロセスは非常に面倒であり、Haberはそれを実用的ではないと却下しました。

ハーバーは次に高温合成を研究し、いくつかの成功を収め、1905年に少量の窒素を生産することに成功した。, しかし、彼は約5℃の温度で、1000％の収率に失望しました。 より良い触媒またはより高い圧力が必要であったが、高圧合成はまだ初期段階にあり、適切な装置は不足していた。 確かに、高圧下で窒素を固定することを最初に提案したル-シャトリエは、特に多額の実験室の爆発の後にあきらめました。

1908年まで、Haberは彼の学生Robert le Rossignolと協力して、高圧ルートに取り組むことに決めました。 それは良い選択でした。, 一年後、彼らは約15％のアンモニアを得るプロセスの特許を取得し、オスミウムとウラン触媒上で約175気圧の圧力で550ºCで動作しました。

研究室から産業へ

このプロセスはすぐにBadische Anilin und Soda Fabrik（今日はBASFの略語でよく知られている）に割り当てられ、化学エンジニアのCarl Boschにプロセスのスケールアップを任せた。, ボッシュは後に言った：”それはプラントの建設を行うことができる前に必ずしも解決しなければならなかった三つの主要な問題があったことは明 これらは、これまで可能であったよりも低価格で、原料、すなわちガス水素と窒素の供給、効果的で安定した触媒の製造、そして最後に装置の建設でした。,”

安くて陽気な

電気分解によって水素を製造するハーバーのプロセスは、スケールアップ 他の既知の水素製造プロセスは、高価すぎるか、不純物が多すぎる水素を生成しませんでした。

ボッシュと彼のチームは、最終的に唯一の実用的な解決策として、水素と一酸化炭素からなる合成ガスである水ガスに落ち着きました。, 同社は、最近開発されたLinde-Frank-Caroプロセスを使用して純粋な水素を抽出し、水ガスをいくつかのステップで-205ºCに冷却し、その時点で水素以外のすべて

第二の大きな貢献は、ウランオスミウム触媒をより実用的な代替物に置き換えることであった。 オスミウムは世界的な供給量がわずか数キログラムに過ぎず、ウランは高価で水と酸素に非常に敏感であったため、スケールアップには適していなかった。 Boschの助手、化学者Alwin Mittasch、酸化鉄に基づく混合触媒を完成させるために約20,000回の実験が必要でした。, それはその種の最初のものであり、オスミウムとウランと同様に実行され、容易に入手可能で安価であった。 この触媒は現在も使用されており、ミッタシュは触媒化学の偉大な先駆者の一人として記憶されている。

圧力容器

ボッシュは、彼の最大の偉業は、反応の高温高圧の両方に耐える反応器を構築する方法、第三の問題を解決したと考えています。 高圧化学はまだ非常に新しい分野であり、適切な機器は不足していました。, 既存の高圧プロセスはリンデの空気液化プロセスだけであり、高温用途には完全に適していなかった柔らかいはんだ付けされた銅反応器を使用する低温プロセスであった。

ボッシュの最初の仕事は新しい実験炉を考案することであり、そのためにハーバーの元の設計を堅牢で信頼性の高い原子炉に再モデル化しました。 Mittaschは完璧な触媒を探しながら、いくつかの24の例は、数年のために時計の周りに走った。,

小さな反応チャンバーは、ボッシュがスケールアップで遭遇する問題のいずれもなかった：外圧軸受部品は、空冷がそれらを安定させるのに十分であったほど小さく、内部部品にわずかな機械的ストレスしかなかった。

“生産装置として小型のコンバータを構築し始めたとき、その状態はすぐに変化しました”とボッシュは言いました。 ハーバーが同様の試みを行ったとき、デバイスは操作のわずか数時間の後に失敗したので、ボッシュのチームは、反応チャンバーとして非常に頑丈な、外部加熱接触管を設計しました。, それでも、彼らはチャンスを取らなかった：”その間に我々はまた、高圧で水素が出てくるときに、頻繁に自然発火で、発生する火災やフレアバックの危険性に精通していたので、私たちは遠く離れた活動のすべての忙しいセンターから強い、鉄筋コンクリートチャンバーにそれを収容していた”と彼は言った。

それは賢明な予防策でした：80時間のサービスの後、材料は脆くなり、チューブは破裂しました。 水素が炭素鋼中のパーライトを脱炭素化し、鉄と脆い合金を形成したことが判明した。,

ボッシュは、軟鋼で薄くライニングされた圧力軸受鋼ジャケットである最初のライニング反応室を設計することによって問題を解決しました。 水素は裏地を通って拡散することができ、危険な圧力の蓄積を防ぐために、ジャケットの溝と穴を通って脱出することができました。

“ソリューションはシンプルに見え、実際にはそうでしたが、プロセスの開発全体は多かれ少なかれそれに依存していました”とBoschは言いました。,

安全上の考慮事項

これがボッシュの最後の問題ではなかった：熱交換器はあまりにも非効率的であり、耐圧鋼ジャケットは依然として長時間運転後にバックルして爆発する傾向があった-ボッシュは、時代の慣例との休憩中に、内部から原子炉を加熱しようとしたときにのみ問題を克服した–信頼性が低く、漏れる傾向があったコンプレッサー。 これは漏るガスが水素であるとき受け入れられない危険を提起する;化学製品工場が少なくとも一日一度失敗する圧縮機を使用できないことを言,

ボッシュのチームは、独自のコンプレッサーを構築するだけでなく、温度、ガス流の強さ、反応チャンバー内のガスの組成を測定するための独自の監視装置を設計し、製造しなければならなかった–既製のデバイス20年が、ボッシュがハーバーのデバイスをスケールアップしたときの前代未聞。

ボッシュはまた、健康と安全を非常に意識しており、プラントを記録的な速度でシャットダウンして避難できるように、多数の速効性の安全弁やその他の機器を設計しました。, “長年にわたり、特にOppauの作品が夜々爆撃された戦争中に、十分な経験を淘汰することができましたが、今日でもあまり注意することはできないという意見