哈柏法

历史

原料的制备(氢的制备)

反应过程

哈柏法

哈柏法（英文：Haber Process，也称Haber-Bosch process或Fritz-Haber Process）是透过氮气及氢气产生氨气（NH3）的过程。

氮气及氢气在250个大气气压及摄氏450-500度，通过一个铁化合物的催化剂（Fe3+），会发生化学作用，产生氨气。在这个情况下，产量一般是10-20%。

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

ΔHo,反应热为-92.4仟卡/莫耳

选择高温的条件是为了提高反应速率，但因为此反应是放热反应，在此条件下平衡后的产率反而较低温时为低。

The condition used in the Haber Process

·N2 and H2 are mixes in a ratio of 1:3.

·An potimum temperature of 450°C is chosen.

·A pressure of 200 atmospheres is applied.

·A catalyst of finely divided iron is used.

·The ammonia is condensed out of the reaction mixture and the remaining N2 and H2 recycled.

历史

这个实验首先在1908年由弗里茨·哈伯进行。于1910年，Carl Bosch于德国化学公司BASF工作时，成功把这个实验商业化，使之符合成本效益。这个实验最早期于1911年被德军于第一次世界大战使用。之前，德国要制作氨气需要从智利入口硝酸钠，但由于战争使其供应不稳定。

原料的制备

合成氨的原料氮气来自于空气(以液态空气的分馏取得)，氢气来自于水和燃料。原料气包含杂质，因此在参与反应前需要去除杂质，即原料气的净化。

氢的制备

天然气(取其甲烷成分)，液化石油气(取其丙烷及丁烷成分)及石油(取其石脑油等碳氢化合物)可以用来制造合成氨的原料氢气。

第一步先把原料中的硫化物清除，是为硫化物会毒害哈伯-博施法所使用的催化剂。催化加氢可以把有机硫化物变成硫化氢：H2 + RSH → RH + H2S(g)

产生的硫化氢会被氧化锌吸收，变成水和硫化锌：

H2S + ZnO → ZnS + H2O

在镍的催化下与水反应，经脱硫的碳氢化合物（如甲烷）转变成氢气和一氧化碳的混合物：

CH4 + H2O → CO + 3 H2

一氧化碳与水反应，转化成二氧化碳及制造更多的氢气：

CO + H2O → CO2 + H2 （可逆反应）

接下来二氧化碳可经2-氨基乙醇溶液吸收或使用变压吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA,在此使用具有专利的固态吸附媒介)清除。制备氢的最后步骤是以使用催化剂的甲烷化(methanation)移除在氢气中残留的少量一氧化碳及二氧化碳:

CO + 3 H2 → CH4 + H2OCO2 + 4

H2 → CH4 + 2 H2O

水蒸气充足, 一氧化碳变换，清除二氧化碳及甲烷化的步骤在25 至 35 Pa的压强进行。

由于化石燃料短缺， 制氨用的氢理论上可以用水的电解 (现今4%的氢由电解制备)或热化裂解(thermal chemical cracking)制得，但现在来说，这些方法都是不实际的。 热裂解所需的热能可以从核能反应中取得，而风力发电、太阳能发电及水力发电产的的过剩电能可以用来电解水制氢。现在为止，从空气及燃料制氨以外的替代方案是不经济的，而且这些方法对环保的作用仍未被确定。

反应过程

合成氨的反应是在高压环境的合成塔中完成的，氮气和氢气混合后经过压缩从塔的上部进入合成塔。经过合成塔下部的热交换器，混合气体的温度升高，并进入放有触媒（催化剂）的接触室。在接触室，一部分氮气和氢气发生反应，合成了氨，混有氮气，氢气和氨气的混合气体经过热交换器离开合成塔。混合气体要经由冷凝器，将氨液化，因而将氨分离出来，而氮气和氢气的混合气体经压缩再次送入合成塔，形成循环。 这样做节省原料，循环利用。硫酸合成工业中也有类似应用。