候氏制碱法
时间:2016-03-07 15:58 来源: 作者:刘丽颖 点击: 次 所属专题: 候氏制碱法 纯碱工业
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对于我国化学化工界人士来说,侯德榜是一位尽人皆知的科学家和工程师。他那自强不息和艰苦创业的精神,给后世留下了极其深刻的印象。他为振兴祖国的制碱工业立下了不朽的功绩,他发明的联合制碱法为纯碱和氮肥工业技术的发展作出了杰出的贡献,曾获英国皇家学会、美国化学会和工程师学会等荣誉会员以及美国机械工程学会终身荣誉会员的称号。作为我国制碱工业的先驱和奠基人,侯德榜应该当之而无愧。
建国后,侯德榜当选为第一、二、三届全国人大代表、政协委员,历任中央财经委员会委员、化学工业部副部长等职。
侯德榜,字致本,于 1890年8月 9日出生于福建省闽侯县坡尾村的一个农民家庭,1907年以优异的成绩毕业于福州英华书院,1909年毕业于沪皖两省路矿学堂,毕业后,曾在津浦铁路充当练习生。1910年考取清华留美预备学堂,1913年23岁的侯德榜以特别优秀的成绩完成了预科学业,以公费派往美国留学。1917年获麻省理工学院化学工程学学士学位,1918年获柏拉图学院制革化学师文凭,1919年获哥伦比亚大学硕士学位,1921年获该校哲学博士学位。当年10月,接受永利碱业公司的聘请,毅然启程回国,从此,侯德榜为发展我国的化学工业献出了毕生的精力。
食品、造纸、医药、玻璃、肥皂、印染工业乃至人民日常生活,无不需要一种重要的化工原料——纯碱。古代,人们学会了从草木灰提取碳酸钾,后来,又从盐碱地和盐湖等天然资源中获得碳酸钠,但是毕竟来源有限,远远不能满足工业生产的需要。
1791年法国医生路布兰首先取得专利,以食盐为原料,制得了纯碱,是为路布兰制碱法。此法共分三步,先使氯化钠与硫酸反应,生成硫酸钠:
2NaCl+H2SO4=Na2SO4+2HCl
然后用焦炭还原碳酸钠得硫化钠:
Na2SO4+4 C=Na2S+4 CO
最后利用硫化钠与石灰石的反应生产碳酸钠:
Na2S+CaCO3=Na2CO3+CaS
在路布兰制碱法被采用的最初十年内,工厂产生的氯化氢气体未被利用,而是当作一种废气排出,它的刺激性很大,不但危害工人的身体健康,还使农作物受到侵蚀。硫化钙也是一种废弃物,长期堆积,臭气四溢,造成环境污染。加之路布兰法需要高温,设备腐蚀严重,生产工序复杂,产量不高,逐渐为氨碱法代替。
1862年,比利时人索尔维以食盐、氨、二氧化碳为原料,制得了碳酸钠,是为氨碱法。反应分三步进行:
NH3+CO2+H2O=NH4HCO3
NH4HCO3+NaCl=NaHCO3+NH4Cl
反应生成的 CO2可以回收再用,而 NH4Cl又可以与生石灰反应,产生NH3,重新作为原料使用:
2NH4Cl+CaO=2NH3+CaCl2+H2O
氨碱法使生产实现了连续性生产,食盐的利用率得到提高,产品质量纯净,因而被称为纯碱,但最大的优点还在于成本低廉。1867年索尔维设厂制造的产品在巴黎世界博览会上获得铜质奖章,此法被正式命名为索尔维法。此时,纯碱的价格大大下降。
消息传到英国,正在从事路布兰法制碱的英国哈琴森公司取得了两年独占索尔维法的权利。1873年哈琴森公司改组为卜内门公司,建立了大规模生产纯碱的工厂,后来,法、德、美等国相继建厂。这些国家发起组织索尔维公会,设计图纸只向会员国公开,对外绝对保守秘密。凡有改良或新发现,会员国之间彼此通气,并相约不申请专利,以防泄露。除了技术之外,营业也有限制,他们采取分区售货的办法,例如中国市场由英国卜内门公司独占。由于如此严密的组织方式,凡是不得索尔维公会特许权者,根本无从问津氨碱法生产详情。多少年来,许多国家想要探索索尔维法奥秘的厂商,无不以失败而告终。
正如上面所说的,我国所需的纯碱几乎都靠进口。第一次世界大战期间,欧亚交通梗塞,市场上便缺少纯碱,而以纯碱为原料的许多民族工业也就难以生存了。爱国的实业家范旭东于1917年在天津塘沽创办永利碱业公司,他深知要取得成功,必须掌握先进的制碱技术和物色人才。1920年赴美考察的陈调甫受范旭东委托,在纽约遇到了侯德榜,陈把索尔维公会的封锁技术、卜内门公司的霸道、国内兴办制碱工业的困难以及范氏求贤的急切心情一一向侯德榜作了介绍。侯氏在美国已经获悉索尔维公会封锁技术,对这种行为非常愤慨,现在居然有了一个为发展民族工业而献身的机会,便毅然接受永利公司的聘请,于1921年启程回国,就任塘沽碱厂的总工程师。
侯德榜深信,制碱技术决不是洋人的私有财产,凭借中国人的聪明才智,一定能打破外国的技术垄断。他为自己写下了座右铭:“勤能补拙”、“勤俭立业”。在强烈的爱国心驱使下,为尽快揭开索尔维法的技术秘密而努力工作。侯德榜把全部身心都扑在改进工艺和设备上。范旭东称赞他“奋不顾身,寝馈于工厂,从事死拚。”最后,侯德榜终于将索尔维法的各项生产技术摸索清楚。
1924年8月,塘沽碱厂正式投产,但产品呈现暗红色,经化验系铁锈造成。侯德榜设法往碳化塔中放入少量硫化钠,使与铁塔内层作用,在表面结成一层硫化铁保护膜,终于生产出雪白的纯碱。1926年,中国生产的红三角牌纯碱在美国费城举办的万国博览会上获得金质奖章。产品不但畅销国内,而且远销日本和东南亚。从此,侯德榜为我国建立了一项基础化学工业。
侯德榜摸索出了索尔维制碱法的奥秘,当时,如果他和永利公司以高价出售专利,将会发大财。但是,出人意外的是范旭东赞成侯德榜撰写一部阐述索尔维制碱法的专著,把其中的奥秘无偿地公诸于世,使工业落后的国家不再仰仗技术大国的鼻息,听从他们的摆布。侯德榜于1931年赴美国进修期间完成了这部书稿,该书用英文撰写,由美国化学会于1933年出版。
侯德榜在《制碱》这本光辉的著作中,把许多人梦寐以求的、秘而不宣的索尔维制碱技术公开地毫无保留地献给了各国人民,所以此书的出版轰动了科学界,被誉为首创的制碱名著。此书销路很广,风行各国,侯德榜在学术上为祖国争得了很大的荣誉。1948年出版了俄文译本。1959年,出版了《制碱工学》,1962年又出版了《制碱工业工作者手册》。
1932年,永利公司又在江苏六合县卸甲甸筹建硫酸铵厂,即后来的永利宁厂,并将永利碱业公司改组为永利化学工业公司,侯德榜任总工程师,于1934年春率六名技术人员赴美考察。回国后,他结合国情,因地制宜地进行设计。1937年2月,永利宁厂一次试车成功,生产出了优质的化肥硫酸铵,还有硝酸。
永利宁厂开工不到半年,日本帝国主义发动了侵华战争,该厂生产的硝酸与国防工业密切相关,所以日本军方多次威逼永利宁厂与其合作。范旭东、侯德榜明确表示:“宁肯给工厂开追悼会,也次不与日军合作。”因此工厂遭到敌机轰炸,侯德榜率领全公司技术人员和工人坚决撤离,为保存我国化工技术力量尽了最大的努力。
1938年,侯德榜来到四川,开始在五通桥筹建永利川厂。四川所产的盐乃是井盐,而五通桥一带又只有淡的黄卤水,必须先经浓缩或加食盐饱和后,才能作为制碱的原料。这样,塘沽碱厂的经验在永利川厂建厂过程中不尽适用。侯德榜还考虑到索尔维制碱法中,氯离子都转化为氯化钙,只是作为废物堆积起来,另一方面,四川的食盐又比较珍贵。由于上述原因,迫使侯德榜探索新的途径。
改革的关键在于提高食盐的利用率。当时,德国发明了一种察安法,利用制碱废液生产副产品氯化铵。侯德榜发现这是一种新的探索,于是他就到柏林考察,由于德、日、意法西斯已暗中勾结,德国当局不许侯德榜到生产现场参观。在谈判中,德国还提出产品不许在东三省出售的无理要求。侯德榜针锋相对,当即中止谈判,立即转赴纽约,自行设计新的制碱方法。
侯德榜认为,索尔维法的主要缺点在于:食盐和石灰石两种原料都只用了它们组成中的一半,即氯化钠中的钠与碳酸钙中的碳酸根结合成产品碳酸钠;而氯化钠中的另一组分氯离子却与碳酸钙中的另一组分钙结合成没有多大用途的氯化钙,成为大量的废弃物。
当时,四川的仪器、药品、资料等都很缺乏,甚至连氨都要从人尿中提取。范旭东在香港建立了实验室进行试验,由侯德榜在纽约进行遥控指导,后来又在纽约和上海法租界进行扩大试验,1940年终于完成了这个新的工艺路线。新法的要点是在氨碱法的滤液中加入食盐固体,并在30—40℃下往滤液中通入氨气和二氧化碳,使它达到饱和,然后冷却到10℃以下,即有氯化铵结晶析出,母液又可重新作为氨碱法的制碱原料。不但使原料食盐得到充分利用,还生产出了化肥。
1943年11月,永利川厂试车成功,使食盐的利用率达到98%。为了表彰侯德榜在制碱工艺上的新突破,在 1943年3月 16日永利川厂厂务会议上,决定将新的联合制碱法命名为“侯氏联合制碱法”。同年,中国化学工程师学会在四川乐山年会上同意这一命名。1943年6月,美国哥伦比亚大学授予侯德榜名誉博士学位。12月,他被选为英国皇家化学工业学会名誉会员。永利化学工业公司为表彰他的功绩,特在永利宁厂修建了一座设有中央实验室、生产设计科、技术科的办公大楼,命名为“致本化学馆”。1943年12月8日,在永利川厂召开的庆祝大会上,范旭东高度评价侯德榜的成就:“永利所以在化工界能够有些许成就,中国化工能够挤上世界舞台,侯先生之贡献,实当首屈一指。”
侯德榜虽然已经是世界制碱权威,但他仍然不忘帮助工业落后的国家办碱厂,印度塔塔公司和巴西都聘请他担任顾问。他最后一次赴印度是1949年4月,当时正值南京解放,他听到这一喜讯,认为振兴民族工业的时机已经到来。他克服了重重困难,终于在1949年7月回到祖国。
侯德榜回国后,历任永利化学工业公司总经理、中华人民共和国重工业部技术顾问、化学工业部副部长等职,为发展我国化学工业作出了重大贡献。1958年开始建设大型联合制碱车间,1963年底达到日产120吨水平,1964年通过鉴定,73岁高龄的侯德榜终于在新中国的土地上看到了亲手培育出来的成果。
侯德榜积极参加科学学会的活动,曾经担任中华全国自然科学专门学会联合会副主席、中国科协副主席、中国化学会理事长、中国化工学会理事长,他还是中国科学院学部委员。他曾用印度塔塔公司的酬金买下北京东四二条一号房舍,捐赠给中国化学会,以支持学会的工作。
1974年8月26日,84岁高龄的侯德榜先生因患脑溢血逝世。他立下遗嘱,决定把自己最珍贵的藏书捐献给国家,留给后人作为攀登科学高峰的基石。他捐赠给北京图书馆的书有《美国化学工业百科全书》、《最新化学工业大全》、《肯特氏机械工程师手册》等。
正像老永利职员阎幼甫在《海王》杂志上所写的:“侯先生的成功是由数十年勤学勤工艰苦得来的。记得范先生曾谈过,‘侯先生当学生时,十门功课,总数不折不扣一千分。’”
范旭东称侯德榜为“国宝”,这应该是最恰当的评语
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