电化学合成氨发展前景

一、电化学合成氨发展前景

氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一，对人类的生产、生活等方面有着至关重要的作用。而且由于其具有绿色、环保、易储存运输等优点，也被视为良好的氢载体。

氨的人工合成最初源起于德国Adolph Frank等人发明的“氰化法”，即利用从空气中分馏得到的氮气与电石（CaC2）在1100 °C左右反应生成氰胺化钙，氰胺化钙再进一步与水蒸气反应得到氨。但受制于制备原料及过高的能耗，该制备工艺没有得到大规模应用。后来，在20世纪初，Fritz Haber和Carl Bosch等人发现以锇（后来是以铁为主要活性组分的复合物）作为催化剂，可直接将氮气和氢气在高温高压下反应得到氨气（即Haber-Bosch法），且产率最高可达到20%，这一方法的提出，从此开启了合成氨的大规模工业化进程，也正是得益于Haber-Bosch法合成氨，人类自此实现了人工固氮的集约化和规模化发展，从而直接推动了全球粮食产量和人口数量史无前例地增长。然而该方法虽经过百多年的发展，但仍需要在高温高压条件下进行（300~500 °C、200~300 atm），其年均能耗占到世界能源总耗的1~2%，它所产生的CO2年排放量约占到总温室气体的1.5%。因此，如果能够实现在常温常压下氮气和氢气的高效反应合成氨，那将是人们梦寐以求的。特别是如果合成氨过程中的驱动能量还能由可持续的绿色能源供给，将能够彻底克服Haber-Bosch法合成氨所面临的涉及能耗、污染以及安全性等方面的问题。

二、关于工业合成氨

弗里茨・哈伯（Fritz Haber，1868年12月9日－1934年1月29日），德国化学家，出生在德国西里西亚布雷斯劳（现为波兰的弗罗茨瓦夫）的一个犹太人家庭。从小就对化学工业有极浓厚的兴趣。

高中毕业后，哈伯先后到柏林、海德堡、苏黎世上大学。上学期间，他还在几个工厂中实习，得到了许多实践的经验。他喜爱德国农业化学之父李比希的伟大职业――化学工业。

读大学期间，哈伯在柏林大学霍夫曼教授的指导下，写了一篇关于有机化学的论文，并因此获得博士学位。1904年，哈伯在两位企业家答应给予大力支持开始研究合成氨的工业化生产，并于1909年获得成功，成为第一个从空气中制造出氨的科学家。使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展。哈伯也从此成了世界闻名的大科学家。为表彰哈伯的这一贡献，瑞典皇家科学院把1918年的诺贝尔化学奖颁给了哈伯。由于在第一次世界大战中，哈伯担任化学兵工厂厂长时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡。虽然按照他自己的说法，这是“为了尽早结束战争”，但哈伯这一行径，仍然遭到了美、英、法、中等国科学家们的谴责，哈伯的妻子伊美娃也以自杀的方式以示抗议。

一战结束后，哈伯又做了从海水中提取黄金的试验，但最后宣告失败。1934年初被派遣去巴勒斯坦德理化学研究所任职。1934年1月29日哈伯因突发心脏病逝世于瑞士的巴塞尔。

德国化学家哈伯(F.Haber， 1868-1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利，即“循环法”，在此基础上，他继续研究，于1909年改进了合成，氨的含量达到6%以上。这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下：

N2+3H2P2NH3(该反应为可逆反应,等号上反应条件为:高温 高压,下为:催化剂)

合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。

氮气加氢气高温高压催化剂

生产能力和产量：合成氨是化学工业中产量很大的化工产品。

消费和用途：合成氨主要消费部门为化肥工业，用于其他领域的（主要是高分子化工、火炸药工业等）非化肥用氨，统称为工业用氨。

原料：合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等。

生产方法：生产合成氨的方法主要区别在原料气的制造，其中最广泛采用的为蒸汽转化法和部分氧化法（见合成氨原料气）。

三、合成氨生产工艺的内容简介

《合成氨生产工艺(第2版)》从不同原料、不同工艺、不同设备,多层次、多角度地阐述了合成氨生产工艺，特别是结合当前全国煤化工发展及用工单位对毕业生理论与实践技能的要求，着重介绍了多种煤制气的新工艺、新技术。

全书共分四篇，其中包括原料气的制取、原料气的净化、原料气的压缩与合成、合成氨生产综述与基本工艺计算。在各章的理论部分，分别介绍了基本原理、工艺条件的选择、流程配置的原则、主要设备的结构及操作控制要点。为了突出理论与实践的同步教学，在每一篇的篇末增加了同步教学课题，便于组织学员开展以任务引领型的教学活动，结合拓展训练与思考使所学理论与实践进一步融会贯通。在同步教学内容的编写中，注重由设备单元岗位操作、车间工段操作到全厂全系统操作的循序渐进。

由于合成氨既有气固相、气液相非催化反应，又有气固相、气液相催化反应，其生产工艺包括了液体输送、传热、传质、分离、冷冻等典型的化工单元操作，因此《》既可作为化工类及其相关专业的高、中级技工学校的教材，也可用于在职职工培训及专业技术人员自学。

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