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《雙頭鷹的眼睛》第30章 合成氨
  據說俄國在一戰前,化工原料都要依賴從德國進口,雖然不排除是因為英法距離遠成本高,但是總不是一件好事情,俄國的化學工業著實不怎地,誠實一點講,糟糕到家了。

  說來麻煩的是,尼古拉可以輕易地網羅一大批理論物理學家,可以輕易地把未來有名有姓的“當代物理學之父”們搜羅到俄國,可以輕易地讓俄國幾年之內成為世界理論物理學中心,可以輕易地讓整個世界在理論物理學方面落後俄國三十年,並由此搶先進入世界核平的時代……

  但是在化學工業領域,突破反而是比較困難的,尤其是從德國引進人才,是比較困難的。

  因為理論物理學,從當今的角度看,自然是前途無量,每個國家都要當寶貝看,可在當時,1903、1904年的時侯,首先那些人一點成績都沒有做出來,其次就算做出來了,除了刷一刷聲望,得幾個諾貝爾獎之外,有什麽用處?可是化學工業可是能賺大錢,發大財的工業領域,當時德國可是在化工領域最領先的國家。

  尼古拉二世最近正在緊鑼密鼓地開展“蒙淘克工程”,開始核武研究,搜集歐美未來理論物理學家,完成俄國的“和平使命”。因此,他卻沒有太多的精力顧及化學工業領域。

  但是改變總是要做出的,比如說,現在可以從合成氨開始做起。

  氮氣與氫氣合成氨的化學反應方程式為:

  N2 + 3H2 = (可逆)2NH3

  第一位最早研究此反應的是1901年法國化學家呂·查得利,不過他實驗的時候在氮氫混合氣中混入了少量空氣,結果反應過程中發生爆炸,然後他沒有查明原因就放棄了研究。

  第二個吃螃蟹的是德國物理化學家W·納斯脫,他通過計算,結論是此反應不大可能……後來弄清楚他是在計算過程中搞錯了一個熱力學數據。

  然後第三位就是哈伯了,1905年他在慕尼黑出版了《工業氣體反應熱力學》,闡述了他對氨氮平衡反應的研究。

  書中有許多很重要的數據,尼古拉二世都知道,果斷抄襲了下來。

  氨的用處非常巨大,直接關系著尿素和硝酸的生產,也就是對於化肥和炸藥的生產至關重要,1噸氨差不多可以生產3噸TNT。

  合成氨的製法,就是在20個大氣壓之下,用鐵作為催化劑,在500攝氏度的高溫之下,對氫氣和氮氣進行直接的氨的合成。當然,哈伯一開始是沒有意識到鐵可以作為催化劑的。在1908年對於“循環法”專利的論述中,哈伯把稀有金屬鋨作為催化劑,這種金屬當時全世界都只有幾公斤。

  在化學工業落後的俄國,要想取得合成氨研究的成功,首當其衝的是三個問題——生產工藝、原料和高壓密閉容器。

  生產工藝首先是製造原料氣,氮就是分離液態空氣的方法,沒有什麽好說的。不過製氫可就不那麽簡單。

  這就是原料的問題了。

  許多人天真地認為,電解水不就可以製氫了?問題是你需要多少電力啊?要是這麽搞,1904年6月1日才成立的俄國國家電力公司,到9月1日就得破產了。

  ……

  一開始的合成氨工廠是用焦炭(用於製氫)作合成氨的原料,不過焦炭太昂貴了,而俄羅斯有的是煤炭。可以使用煤炭作為原料。

  在尼古拉二世的指示之下,俄國國家工業複興公司在聖彼得堡附近建立了一個試驗廠,

同時俄國國家工業複興公司吸收合並了俄國少得可憐的幾個化工廠,把工人和技師集中起來。  尼古拉二世利用煤的連續氣化,提出流化床粉煤氣化工藝,用量大質優的煤炭代替了昂貴的焦炭,並把氫氣的利用率提高了一倍。

  1904年的時候,哈伯還沒有開始正式的研究,他的那本著作也沒有出版。不過作為柏林理工大學的教授,哈伯顯然是不會被“誘惑”的。

  不過合作還是可以的,哈伯愉快地接受了俄國國家工業複興公司的代表提出的高壓密閉容器的定做。這個時候德國當然沒有意識到這些技術對於合成氨(都還沒影)乃至TNT的重要性,不過哈伯表示需要三個月的時間,急不得,俄國人也樂得等待。

  尼古拉二世拐不走教授,卻可以拐走更重要的幾個實乾家,比如按照歷史很快就要遇到低谷期,而且現在在尼古拉二世的陰謀陷害之下,很快就要陷入低谷期的波施博士以及他的團隊,尼古拉二世打算借機誘惑波施博士和他的團隊跳槽。

  波施博士和他的好友們——幾個技師和幾名工人,組成了一個小團隊,研究氰氨化物的生產方法。

  但是悲劇的是,事實上1904年法國人就已經搞出了這個技術並且注冊了專利,結果波施博士和他的團隊給巴登公司帶來了大麻煩,不僅建設了好幾年的工廠全部浪費,還被德國法院很有國際主義精神地判決立即停止相關研究——和現在的美帝比起來,德國人的良心那是大大的好啊!

  結果巴登公司的總經理禮貌地但是堅定地不再給予波施博士和他的團隊撥付經費。

  不過因禍得福的是,很快波施就得到了改進合成氨技術的機會。

  這件事應該發生在幾年後,但是尼古拉二世想讓它提前發生,是很容易的!而這次波施就沒有辦法得到改進合成氨的契機了,因為哈伯自己都沒有搞出門道呢!

  這個時候,到機械加工最強大的德國,購置一批高壓密閉容器,順帶的帶回來幾個高壓化工領域的工程師和科學家,是很好的選擇。

  ……

  “什麽?德國人在侵犯我們的專利?!可惡,德國佬太過分了!”

  法國公司得到俄國國家工業複興公司員工的“告密”之後,怒不可遏,當即向德國法院起訴(有點喜感……),結果巴登公司就倒霉了,然後波施就倒霉了。

  ……

  “我們在建造氰氨化物工廠上本來就已經花了不少錢啦。”波施揚起了頭,他從來沒有因為白白造成浪費而被任何人指責過。布隆克經理安詳地微笑著,“我說這些話,絕對沒有指責您的意思,波施博士。對於您的才能,我一直給予高度的評價,這一點您是清楚的。但是,自從建造氰氨化物工廠失敗之後,經理管委會不打算在籌建氨的生產方面再做任何新的摸索了。因此,這一次,恐怕經理管委會不會撥給您經費供您研究了。”

  這對於波施是個重大的打擊!1904年,哈伯的研究還沒有開始,波施自然沒有往合成氨方面想。歷史上他提議進行合成氨的改進,就被經理管委會以上述理由拒絕了。他後來經過九牛二虎之力才讓經理管委會同意,可是現在他對合成氨技術一無所知,他提交的新方案只是一種繞過專利的氰氨化物製法,自然不可能得到認可了。

  更糟糕的是,波施博士的住宅發生了盜竊案,財產和儀器的損失都不小,波施覺得非常鬱悶,做了嚴密的防盜措施。防盜措施很成功,從此沒有發生過失竊事件。直到在他一次正在工作的時候,住宅發生了火災。

  ……

  1904年的聖誕節,波施返回故鄉科隆散心,排解一下鬱悶的心情,作為30歲的大齡剩男,本來今年是要向女友艾麗莎求婚的,結果出了這麽一檔子事兒,他感覺整個人都不好了,以後的經費和研究怎麽辦?波施對於個人的財產損失,反而是不甚在意。

  到了故鄉(波施的父母已去世),波施見到了悶悶不樂,時常掉眼淚的艾麗莎,經過詢問,原來艾麗莎也遭遇了不幸,艾麗莎的母親生了重病(微量鉈能不重病嗎?),家裡又發生了火災,現在陷入了貧困之中。波施不得不安慰艾麗莎,發誓不會做負心漢。

  聖誕第二天是盒日,波施博士迎來了一個特殊的訪客,是俄國國家工業複興公司的工作人員,對方彬彬有禮地表示希望聘請他跳槽去俄國工作。

  波施博士一開始不願意,對方卻說:“波施博士,您應該了解俄國國家工業複興公司是什麽性質,雖然我們俄國的化學工業水平還比較落後,但是我們公司本來就是全俄公司中技術最先進的,而且有國家力量的鼎力支持,未必不能滿足您的需要,而且我們的項目您一定感興趣!是關於氨的製造。”同時給出了很高的薪水來誘惑波施。

  考慮到艾麗莎的處境,波施勉強表示可以考慮。

  最終,在再一次提交氨研究的經費申請被公司拒絕後,波施和他的幾個團隊成員在俄國國家工業複興公司的聘請下辭職跳槽。

  跳槽的可都是後來的大人物,對於高壓密閉容器的研製成功起了重要的作用——波施的朋友米塔施博士、朗涅工程師、克朗茨工程師以及幾十個德國工人跳槽到了俄國國家工業複興公司在聖彼得堡附近的試驗廠。

  波施不知道的是,他前腳剛走,哈伯的研究就取得了突破性的進展!不過哈伯和波施本來就不認識,這個時候兩人自然什麽問題都沒有意識到。

  ……

  果然,波施博士對於合成氨的項目非常感興趣!尤其在俄國國家工業複興公司拿出了全套的工藝流程——以無煙煤、蒸汽和空氣為原料,先進行造氣,再進行除塵、脫硫、變換,然後在壓縮並脫一氧化碳、脫二氧化碳,最後在鐵催化劑與高溫條件下合成為氨。

  “真是極具開創性的方案!尤其是居然用普通的鐵作催化劑!”波施博士讚歎不已。

  但很快又有了疑問:“我認為是不是采用焦炭更……”

  然後他又見識了流化床粉煤氣化工藝。

  但是很快波施就指出了致命的問題——高壓密閉容器。

  “這正是我們欠缺的,現在正在從德國方面訂貨,同時推進我們自己的研究工作!”

  然後波施又得到了一個開創性的意見——“沙皇陛下的建議是,從目前的情況看,和氫氣接觸的軟鋼反應器只能使用80小時便會損壞,但是如果采用軟鐵襯內的軟剛反應器就能解決這一問題!這是我們要努力研究的!”

  “什麽?沙皇陛下?”波施的世界觀被結結實實地刷新了一回。

  “噢,沙皇陛下可是對合成氨的研究非常重視!提了不少好建議!甚至提供了流化床粉煤氣化工藝!陛下還指示要優待您和您的團隊。”

  俄國國家工業複興公司給波施和艾麗莎安排了一所私人住宅,坐落在一個寬闊大庭院的深處。地方不小,不僅能擺放各種養魚缸,而且還能放置各樣飼養兩棲類小動物的飼養箱。貼心的工作人員還契合波施博士的愛好,把一個房間改造成小工廠——安裝了一台車床並且安放了木工的工作台。工作之余,波施就可以從事他心愛的活動——養魚、飼養兩棲類的小動物、采集昆蟲標本和栽培花草。

  尼古拉二世對德國團隊的待遇可謂優厚至極,就差沒給波施主持婚禮了——好歹他可是沙皇陛下,尼古拉二世屈尊給科學家主持婚禮,只有後來給奧托·哈恩和莉澤·邁特納主持婚禮的那一次——原子彈之父和原子彈之母,“和平使命”的科學家們都是俄國最寶貴的人嘛。

  ……

  不過研製還是出了問題,雖然容器問題有了指導方向——軟鐵襯內的軟鋼反應器,但是實際研究中卻還是問題不少。

  ……

  “唉!”

  克朗茨在門口差一點跟朗涅工程師撞了一個滿懷。“這是分析數據,還是沒有發現氮在實驗中存在。”

  “這說明沒有氮化鐵生成,”波施若有所思地在手裡翻動著那塊薄薄的金屬片,“朗涅,您瞧瞧,圓柱內部由於和氮氫混合氣直接接觸,鋼的顏色已經變淺了。鋼的主要成分——珠光體巳經毫無蹤影。但是它並非純鐵,而是一種質地極脆,又具有白色的物質。這可能是鐵和氫生成的一種化合物。”

  一個突如其來的猜測使波施恍然大悟,他站了起來,“氫,當然是氫啦 ! 勞駕,請您從圓柱的內壁上用銼刮一點鋼屑下來,然後送給化驗室分析一下是否含氫。”

  分析的結果完全證實了波施的推測。這就是說,在高溫下氫氣滲入鋼中,並脫去鋼材中的碳,這時,氫與碳生成甲烷,而氫與鐵則生成質地很脆的氫化鐵。

  波施思索著。“我認為,問題在於應當改變一下它的結構。催化劑圓柱起兩個作用:一是作為反應的容器,二是保證反應所需的壓力,能不能讓這兩種功能分開呢 ? ”

  “沙皇陛下說過,圓柱內壁鑲一層襯面會起點作用 ? 因為有了這層襯面就可以避免它再和氣體直接接觸了,對吧 ? ”

  “一開始你們就和我提過沙皇陛下的建議,但是考慮了一下之後,我認為蒙一層襯面是不能解決問題的。氫氣的擴散能力極強,甚至連最細微的小孔它都能鑽進去。因此,管中套管才是解決問題的辦法。朗涅,咱們從頭乾。內管用銅的,外管用鋼的。這樣一來,我們就保護住鋼材,使其不受氫氣的作用,從而也就使鋼能夠保持住原來的強度。”

  但是,試驗未能奏效。銅沒有能保護住鋼,甚至換成銀的隔離管也無濟於事。

  現在,大夥隻為一件事著急:如何使鋼管不受氫氣的作用 ? 在每周的星期五所舉行的例會上,討論的也是這個問題。而每星期六召開的工廠生產會議上,中心議題也只有一個:如何把催化劑圓柱改一改型 ?

  1905年2月的一個星期六,人們的情緒是憂鬱的。盡管做了各種各樣的改進,催化劑圓柱也只能堅持3天——一如尼古拉二世預測的80個小時。這期間如果順當,即令不爆炸也得把圓柱卸掉,扔到廢鐵堆去。實際上,爆炸仍然時常發生,所幸均未造成重大傷亡事故,因為這些試驗工作是安裝在過去生產氫氨化物的舊車間進行的。每隻圓柱都用一個特製的鋼筋混凝土圓圈圍起來,圈上蓋著鋼板,掩住噝噝作響的氫焰火舌——因為氫氣一旦與空氣接觸,轉瞬之間就會自行燃燒起來。

  ……

  現在就需要沙皇陛下出來拯救世界了。

  1905年,2月19日,尼古拉二世在考慮著這個問題,回想著歷史上波施對此有什麽解決方法。突然,他記起來了,在《無機化學工藝學》中波施的設計理念和圖紙!

  “預先在鋼罩上鑽出大量微孔,用最細的鑽頭鑽出小眼,既不影響鋼的強度,而氫氣又可以自由地穿過小孔直接進入外圍的空間去,使鋼免受氫氣的作用而遭到破壞……”

  1905年2月20早晨,聖彼得堡專利局迎來了一個特殊的客人。

  “陛下,您……”

  尼古拉二世在護衛的保護下,大步走進專利局,驚掉工作人員以及周圍所有人的下巴。

  尼古拉二世把一張全新結構的圖紙攤在桌子上,一本正經地申請道:

  “請為我立即辦理申請專利權的一切必要手續。”

  ……

  波施的生活開始進入了一個新階段, 研究各種設計方案,協調俄國國家工業複興公司的煉鋼廠和機械製造廠及化工廠的配合。在這期間,波施的工作達到了超乎常人所能負擔的緊張程度。處處都需要他來過問:主持各種業務會議 ; 親自與供應原材料的公司企業進行談判 ; 親自參加和檢查設備的安裝工作 ; 繼續負責指導實驗室的研究工作。此外,他經常對各種零件的製造問題給予指示和說明。

  20個大氣壓是最低值,而如果要進行高效的大規模工業生產,如果要達到每年固定6000噸氮氣的生產水平,那麽每分鍾就需要把40立方米常壓下的氮氫混合氣壓縮到200個大氣壓。這是一個艱巨的任務。

  ……

  另外,正式工廠的規模要比試驗廠大得多。種種問題都要解決。不過尼古拉高度重視,一口氣撥付了1500萬盧布的資金。

  充足的資金與大量的科研力量,使得研究的推進與工廠的建立都得以順利進行,不受各種條件的掣肘。

  ……

  1905年9月,聖彼得堡郊區,世界上第一座生產合成氨和氮肥的工廠正式開工投產。平地上高高矗立起巨大的廠房,這裡有冷卻塔、吸收塔以及合成氨反應柱。這些合成氨反應柱,憑借無數的鋼管與各部分相通,形成網絡,結為整體。該廠的生產能力為每日合成30噸氨,這非常了不起,只要原料供應充足,產量將達到年產萬噸!

  這比歷史提前了8年。而且象征著俄國的工業正在穩步前進,它將為戰爭的勝利奠定堅實的基礎……
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