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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 化学肥料的发明与应用(2)
发信站: 紫丁香 (Mon Mar 27 02:59:07 2000), 转信

    实现工业化生产
    1908年，在巴登苯胺纯碱公司工作的博施，已从一个无名之辈，跻身于世界著名
化学家行列。当时，他正从事氮固定法工业化的研究。当他得到哈柏氨合成成功的消
息后，就在巴登苯胺纯碱公司的大力支持下，开始把哈柏氨合成法发展为工业规模生
产的工作。
    此时，摆在博施面前主要有两项工作：一项是制造能经受住100至200个大气压和
500 ℃左右高温的反应容器；另一个问题是找到适于大量生产的催化剂，因为锇和铀
是稀有金属，尤其是它在500 ℃左右时变成气体状态，容器也许会爆炸，不适于工业
化生产。
    制造反应容器的工作是由博施本人承担的，他领导的实验室里有上千人的庞大科
研队伍，他原来又是一位金属学专家，所以，他满怀信心。寻找催化剂的任务，是由
米塔希承担的，他是奥斯特瓦尔德的得意学生，加上BASF公司具有在工业上利用催化
剂的丰富经验，早年从萘制造合成染料靛蓝的原料时，曾使用过水银催化剂。另外，
该公司高纯度的硫酸也是用铂催化剂制造的。由于有这样一些优势，在博施和米塔希
的前面，合成氨的工业化变得十分可能了。
    这时，博施遇到的困难是制造耐高压反应塔的进展缓慢，若是实验室用的小型的
反应器还比较容易，一旦制成工业用的大型反应塔，钢壁虽然厚达 3厘米，但也仅仅
使用3天就破裂了。
    博施查看了破片后大为吃惊，他发现：由于在100至200个大气压下，氢气渗进钢
里同其中的碳化物反应，生成了甲烷气而减弱了钢的内部组织，因而发生了破裂。博
施现在更加惊叹高压的可怕了。
    为了防止这一现象，就应改良反应塔内壁的结构，使高压氢气在那里缓和下来，
找出使它不能渗入钢内部结构的办法。首先，博施在内壁衬上铜、青铜、纯银等各种
金属进行试验，但立即就变成破破烂烂了，他提议用“熟铁”衬在里面进行实验，也
没有获得成功。研制工人陷入了僵局。
    1911年 2月的某一个晚上，博施在俱乐部里一边喝酒一边思考着解决的办法。因
为熟铁是软的，由于高压的作用而使它紧贴在内壁上，就像通过口罩的氢气仍会使反
应塔的强度削弱，怎样解决这个问题呢？在去往工厂的晚上，他突然领悟到一个好的
办法：在反应塔的壁上钻出许多小孔，让透过熟铁而进来的氢气跑掉。为此，反应塔
制成双层结构就可以了。
    熟铁衬里和钢壁上开许多小孔，这是个很好的主意，这样，从前人们难以处理的
耐高温、高压的反应塔——双层反应塔终于诞生了。这个反应塔，用双壁管代替了哈
柏的单壁反应器，就是一个管子套在另一个管子里面，外管用普通钢制成，内管用合
金钢制成。博施通过用合金钢代替碳钢解决了高温、高压下钢材脆裂的问题，也解决
了反应室不能经受这么高的压力的难题，避免了爆炸事故的发生。
    “氨合成的整个发展，很大程度上是依靠这个简单的解决办法。”这是博施在20
年后获得诺贝尔化学奖的受奖演说所说的。至此，实现工业化的障碍已经全部排除了。
    接着，博施又进行了大量的实验，寻找适合既经济又不对气体杂质的作用过于敏
感的催化剂。此时，他的助手米塔希也进行了大量试验。米塔希认为工业用的催化剂
就是铁，为此，他试验了各个地方的铁。他用比银的价钱还要贵的纯铁，搞成各种各
样的混合物，一个一个地试验下去。人们有时看到，在他的实验室里，排列着25至30
个可以自由取出和装进催化剂和高约503厘米的实验用高压釜。在不到半年的时间里，
即到1910年 1月初，米塔希和博施发现，在天然磁铁矿中掺入少量碱金属和其他金属
就能得到优良的催化剂。后来，他们又发现了氧化剂与少量的氧化铝混合物更为优良。
1913年，经过 2万次的反复实验，博施和米塔希终于成功地改进了哈柏的高压合成氨
的装置和催化方法。为此，他们对2500种样品进行了6500次试验。
    在博施和米塔希寻找催化剂的同时，1911年，巴登苯胺纯碱公司正式开始在路易
港郊外奥帕乌建造世界上第一座合成氨工厂。到1913年 9月，博施终于建成了整个工
厂，包括从制造煤气发生炉起直到从压缩机出来的成品的装运设备的连续装置。曾在
哈柏实验室里看起来像玩具的反应塔，此时已成为高达8米、甚至12米的双层反应塔。
    1913年9月9日，巴登米胺纯碱公司建成的第一个合成氨工作开始投入生产，实现
了合成氨工业化的生产，获得了年产 3.6万吨硫酸铵的成果。人工合成的硫酸铵被运
往期待收获的农村里，从而促进了农业的发展。由于哈柏的合成氨理论，以及博施把
哈柏氨合成法发展成工业化，因此，后来把该种氨生产法称为“哈柏博施”法。
    化肥的今天
    “哈柏--博施”法是划时代的工业供氮方法，它开辟了人类直接利用游离状态氮
的途径，也开创了高压合成氨的化学方法，它的意义已不仅仅是使大气中氨变成了生
产化肥“取之不尽、用之不竭”的廉价来源，而且使农业生产产生了根本的变革。同
时，也大大推动了与之有关的科学、技术的发展。例如：1923年，在100至200个大气
压条件下甲醇的合成；1926年，在 100个大气压条件下的人造石油；1937年，在1400
个大气压条件下的高压聚乙烯生产等等，无不与合成氨理论的发展有关。从这点说，
哈柏开创了化学的新时代。
    1913年，德国第一个合成氨装置建立后，为今天的固氮工业和氮肥工业的发展奠
定了重要基础。半个多世纪以来，合成氨以惊人的速度向前发展，它给全人类带来的
巨大福利是无与伦比的，正如锎元素的发展者、诺贝尔化学奖得主G.T.西博格在纪念
美国化学会成立100周年大会上的演讲中所指出的那样：
    “无论过去、现在和可预见的将来，再也不可能找到任何一门其他工业，比化肥
工业更直接关系到国计民生了……。无论从经济的发展还是人类的进步而言，合成氨
的发明都是本世纪科学领域中最辉煌的成就之一。”
    直到现在，世界各国的氮肥工业在基本原理上还沿用这种方法。氨的合成开创了
人类科学史的重要篇章。当前，世界上 90%以上的氮肥是由合成氨加工成的。许多国
家都大量生产合成氮肥，使粮食成倍增产，对农业的发展起了很大的作用。农业生产
的面貌已发生了重要变化，大大促进了粮食增产。以日本为例，1950年的化肥用量为
每亩50公斤，粮食单产是190公斤；1970年化肥用量为每亩135公斤，粮食单产提高到
340公斤；1976年化肥用量是155公斤，单产也相应提高到 365公斤。化肥对农作物产
量的作用，由此可见一斑。
    当然，人类所使用的化肥并不是仍然停留在原有的水平上。目前，化肥的发展已
有固体、液体之分。在固体氮肥中，尿素和硝铵的比重不断增大。液体氮肥包括液氨、
氨水、氮溶液以及液体混合肥料等等。除了氮肥以外，还有磷肥和钾肥。从发展趋势
看，化学肥料的生产和施用，主要是提高肥料浓度，发展二元、三元复合肥料或液化
肥料，并采用颗粒肥料和深层施肥法。虽然有机肥料不可忽视，但是，现在化学肥料
仍在增产中占有重要地位。据联合国粮食组织统计， 1公斤化肥一般增产籽粒和茎秆
各10公斤。所以，年近来，化肥的生产和研究水平不断提高，主要表现在：高浓度化
肥逐渐代替低浓度化肥，欧美和日本生产的一种超高浓度肥料，含有效成分达 94%以
上；复合肥料、混合肥料迅猛发展，目前除含铜等微量元素的新复合肥料之外，有的
厂家生产的有效成份在40%以上；液体肥料和长效肥料逐年增加，这种肥料优点突出，
效果良好；微量元素肥料越来越占显著地位。活性有机肥问世，生产无公害、无污染
绿色食品，对人类是极为重要的贡献。除此之外，生物固氮的研究正在大
力开展之中，不久将会给肥料的制造和使用带来革命性的大变化
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