化学与工程之间
卡尔·博施(Carl Bosch,1874—1940),亦译卡尔·博世,是德国化学家和巴斯夫公司的工业领导者,不应与创办博世企业的叔父罗伯特·博世混淆。他接受过机械工程与化学训练,1898年取得博士学位,次年进入巴斯夫。这种跨越实验室和工厂设备的经历,成为他主持高压化工开发的重要背景。
巴斯夫1908年与弗里茨·哈伯合作,1909年见证其合成氨装置的成功演示。哈伯及罗伯特·勒罗西尼奥尔已在实验室实现加压反应、热量利用和气体循环;博施面对的却是另一组问题:怎样让设备长期安全运转,以可获得的材料和原料持续生产,而不是把小型装置简单放大。
氢气使承压钢材失效
早期高压反应器的困难不只在于压力。高温下的氢能够进入钢材,并使其中的碳损失;原本足以承压的材料因此变脆,设备存在破裂风险。单纯加厚钢壁无法消除这种材料变化,化学反应与金属结构必须一并研究。
博施团队采用分工式的筒体结构:内部低碳软铁衬层接触反应气体,外部钢壳承担压力,壁上的排放通道使穿过内层的氢逸出。这样,耐受反应环境与机械承压不必由同一种材料独自完成。巴斯夫还在1912年建立材料测试设施,将实际运行中的损坏变成可以系统检验的工程问题。
从催化剂筛选到奥堡投产
反应器只是整套生产系统的一环。阿尔温·米塔施领导的团队筛选适于工业生产的催化剂;博施则协调装置、材料及生产流程的开发。氮氢原料的制备和净化、催化反应、产物分离及未反应气体的利用,必须彼此匹配。催化剂加快达到化学平衡的速度,并不把平衡本身改造成任意高的氨产率。
1911年秋,巴斯夫申请在路德维希港北面的奥堡建设新厂,1912年开始施工,1913年9月9日投入运行。产品进入化肥制造,最初的重要形式是硫酸铵。从1909年实验室演示到1913年工厂投产,经历了材料、催化剂和厂房建设等不同阶段,因此不宜用一个“发明日”概括哈伯—博施法。
工业规模与用途的两面性
合成氨把空气中的氮转为可进一步加工的化工原料,扩大了农业肥料的供应;同一生产基础也能服务战争。第一次世界大战期间,博施承诺扩建将氨转化为硝酸的生产能力,使德国军需生产获得重要原料。技术的农业效益不能抹去这一军事用途。
博施1919年出任巴斯夫最高管理者,1925年成为法本公司的首任管理委员会主席。1931年,他与弗里德里希·贝吉乌斯因发展化学高压方法共同获诺贝尔化学奖。其历史地位既来自个人对材料与装置问题的把握,也来自组织化学家、工程师及技术人员共同完成工业化的能力,而非独自发现了氮与氢生成氨的反应。