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貝吉烏斯法

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弗里德里希·貝吉烏斯

貝吉烏斯法（德語：Bergius-Pier-Verfahren）又譯為伯吉阿斯法，是德國化學家弗里德里希·貝吉烏斯在20世紀初發明的一種使用氢化將煤液化以製造人造石油的重工业方法。1931年，貝吉烏斯以在高壓化學上的貢獻而獲得諾貝爾化學獎[1]。同时获奖的还有卡爾·博施，获奖的理由是两人“为高压化学反应做出的发现和贡献”。

这个方法使用氢在高温高压下把煤里的高分子分解成小分子。最初貝吉烏斯法的原材料是褐煤，使用煤气化可以从中获得氢化的氢和液化成品中的碳结构。后来烟煤、焦油等也被用作原材料。

貝吉烏斯法的产品是气态和液态的烃，它们一般被用作燃料和润滑剂。1910年到1925年间德国化学家弗里德里希·贝吉乌斯研制出这个技术的基础。1925年在马蒂亚斯·皮尔的领导下巴斯夫研制出貝吉烏斯法的工业化过程以及它所需要的催化剂。

1927年法本公司在洛伊纳建造了第一座使用貝吉烏斯法的设施。从1930年代中期开始德意志国加强封閉經濟，下令建造更多的氢化设施以及扩建已有设施。第二次世界大战期间德意志國防軍大部分燃料是使用貝吉烏斯法生产的。

战后廉价的石油产品取代了煤产品，氢化设施停止运行。1970年代能源危機期间石油紧缺再次促使对貝吉烏斯法的兴趣。不过在西方世界这个方法没有再被大规模实现过。2003年在盛产煤的中国内蒙古建造了一座氢化厂为中国市场生产燃料。

历史

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马塞兰·贝特洛

1869年法国人马塞兰·贝特洛首次实验由煤获得液态碳氢化合物。他让饱和的碘化氢在摄氏270度下与煤反应[2]。在这个温度下碘化氢分解成其组成的元素，为煤液化提供氢。反应结构中产生液态的碳氢化合物，但是总的来说这个试验没有任何技术意义。虽然如此贝特洛的试验开创了对煤液化的研究。1900年保罗·萨巴捷发明了催化煤液化的新方法，1912年他为此获得诺贝尔化学奖。镍和铁能够催化有机物的液化以及弗拉基米尔·伊帕季耶夫关于高压液化的研究都为貝吉烏斯的研究奠定基础[3]。

在德国威廉皇帝学会为此设立了威廉皇帝煤炭研究所[4]。

假如能够通过廉价的还原过程把固体的燃料变成液态的燃料该多好啊！

——赫尔曼·埃米尔·费歇尔[4]

1912年研究所设立时诺贝尔奖获得者赫尔曼·埃米尔·费歇尔用这些词语道出他的希望，又朝一日能够找到一个“取热工业的此本问题”，尤其因为德国缺乏液态的燃料。最后弗里德里希·貝吉烏斯发明了费歇尔想要获得的反应过程，并把它投入化学工业生产[5]。

在汉诺威和埃森的开始

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貝吉烏斯在王家汉诺威技术高校教授理论和应用物理化学，他通过研究成煤过程的论文获得教授职权，早在1910年他就使用人工煤做过液化试验[6]。在摄氏400到450度，氢的压力为150巴的状况下他能够从一开始就重复获得气态和液态的碳氢化合物，收率达80%[6]。1913年获得他发明的专利[7]。

从试验室到大型工业设施的过程比本来预想的要困难， 而且需要巨大投资。通过关系貝吉烏斯获得埃森一座化工厂的赞助，并加入其领导管理层。第一次世界大战后由于缺乏资金研究响应的催化剂双方的合作结束[6]。

法本公司的创立

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法本公司董事会及其董事会主席卡爾·博施（左前），1926年

汽车的普及，以及轮船和火车也越来越多使用液态燃料，使得通过煤液化来获得燃料和润滑剂在一些人眼中成为可行的盈利技术[8]。1926年美国联邦石油保护委员会的讨论也显示出当时有石油储存会干枯的焦虑[9]。相对于石油大量的褐煤和烟煤储存似乎可以满足今后数百年的燃料需要[10]。

哈柏法、甲醇制造法和异丁醇合成等工业方法使得高压化学在技术和经济上都获得了成功，因此卡爾·博施开始在巴斯夫研究褐煤的高压液化[11]。1925年7月巴斯夫收购了貝吉烏斯在德国的部分专利，一年后从荷兰皇家壳牌买下了国际专利[12]。巴斯夫让瓦爾特·能斯特的学生马蒂亚斯·皮尔开发煤液化的工业过程。皮尔在此前已经开发了甲醇的高压制造法。他使用氨和甲醇制造法的设施试验使用带硫的催化剂如二硫化钼或硫化铁来液化褐煤。后来出任帝国经济开发局的卡尔·克劳希资助皮尔的研究。貝吉烏斯法是在一个悬浊液中的反应，相对于纯气态反应困难更加大，需要相当大的投资解决技术问题。由于催化剂中毒的浓度非常高，而且原来的成分也不均匀，因此在生产过程中需要非常高的稳定性和催化剂的专一性。其它技术上的困难包括氢和硫化氢对设施的腐蚀、把剩余煤、灰和催化剂从液态产品中分离出来[13]。

卡爾·博施认识到要把这个技术发展到化工业的程度需要大量资本和大幅度的经济支持，这导致1925年法本公司的成立[14]。由于洛伊纳离中德褐煤矿区很近，加上当地已经有高压技术的经验，因此博施1927年选择那里作为生产地点。在5年内巴斯夫克服了技术困难， 把年产燃料量推到约10万吨。

与使用费托合成间接煤液化的产品相比使用貝吉烏斯法生产的人造汽油的辛烷值比较高。

1925年5月16日在一次由德国国防部组织的秘密会议上德国国防部长奧托·格斯勒的代表对中德褐煤企业代表强调了在德国中部建造貝吉烏斯法大型设施“特别的重要性”[15]。

到1931年法本公司对貝吉烏斯法投资4.26亿國家馬克，这是巴斯夫在法本公司资金周转量的两倍多[16]。新泽西标准石油当时购买了在全球出售这个生产方法的拍照[17]。1931年帝国化学工业、贝克公司、标准石油和法本公司一起组成了国际液化专利公司来分享和集中人造汽油制造的资源和知识，同时也以此来限制研究发现的发表[18]。

但是这个方法的经济问题甚至大于技术问题。使用煤液化制造的汽油比从原油里提炼的汽油贵。有一段时间从原油提炼的汽油的价格甚至比煤的价格还要低[13]。而且对石油储藏量的悲观估计也被证明是错误的。大萧条更加加剧了法本公司的亏损，即使标准石油的专利购买也无法弥补这个亏损[17]。

纳粹时期

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德意志帝国内使用貝吉烏斯法的生产地点
褐煤褐煤，褐煤焦油褐煤焦油，烟煤烟煤，其它其它

1933年法本公司的代表与纳粹头目接触，希望获得对貝吉烏斯法的政治支持。帝国财政部因此向人造汽油的竞争产品征收保护税来保持人工汽油的竞争能力。1933年12月纳粹党财政政治发言人戈特弗里德·费德尔与卡爾·博施签署协议，法本公司答应以定价向政府提供人造汽油[19]。

1936年希特勒下令在四年计划中把人造汽油的生产量提高到最高程度[20]。在这个计划中褐煤-汽油公司的地位尤其显著：它要在马格德堡、伯伦、施瓦茨海德和蔡茨建造四座新的煤液化厂。这样一来在整个德意志帝国境内会建造9座以费托合成为原理的鲁尔化学厂和12座以貝吉烏斯法为原理的法本公司厂。

最大的厂位于珀利茨、洛伊纳和科堡附近诺伊施塔特，年产量为60万吨[6][21]。12座貝吉烏斯法厂计划的总产量为每年386.6万吨，9座费托合成厂的总产量计划为64.7万吨。实际上所有厂计划中的年生产量一直到1943年/1944年才达到[22]。

使用貝吉烏斯法的德国生产设施[23]
投产年 厂址 公司 原料 产量，1943年/44年，吨每年
1927年 洛伊纳 法本公司 褐煤 65万
1936年 伯伦 褐煤-汽油公司 褐煤焦油 25万
1936年 马格德堡 褐煤-汽油公司 褐煤焦油 22万
1936年 盖尔森基兴 Hibernia AG 烟煤 28万
1937年 博特罗普 Ruhröl GmbH 沥青 13万
1939年 盖尔森基兴 Gelsenkirchen-Benzin AG 烟煤 40万
1939年 蔡茨 褐煤-汽油公司 褐煤焦油 28万
1940年 萨勒县 Wintershall AG 沥青、油 5万
1940年 波利采 波利采液化厂公司 烟煤、油 70万
1941年 韦瑟灵 莱茵褐煤燃料联合公司 褐煤 26万
1942 Maltheuern bei Brüx Sudetenländische Treibstoffwerke AG Braunkohlenteer 600.000
1943 Blechhammer Oberschlesische Hydrierwerke AG Steinkohle, Teer 420.000
bis 1944 Bergius-Pier gesamt 4.230.000


參考來源

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  1. ^ Bergius, Friedrich. Chemical reactions under high pressure (PDF). Nobel Foundation. May 21, 1932 [2009-01-23]. （原始内容存档 (PDF)于2007-01-02）. 
  2. ^ Heinz-Gerhard Franck：《Kohleveredlung: Chemie und Technologie》，Verlag Springer，1979年，ISBN 3-540-09627-2，228页
  3. ^ Anthony N. Stranges：《Friedrich Bergius and the Rise of the German Synthetic Fuel Industry》，发表在《Isis》，75卷，1984年，643–667页，doi:10.1086/353647
  4. ^ 4.0 4.1 Emil Fischer：《Die Aufgaben des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Kohlenforschung》。发表在：《Stahl und Eisen》，32卷1912年，1898–1903页
  5. ^ K. F. Schlupp和H. Wien：《Herstellung von Öl durch Hydrierung von Steinkohle》，发表在《Angewandte Chemie》，88卷，1976年，347–353页，doi:10.1002/ange.19760881103
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 Robert Haul：《Das Portrait: Friedrich Bergius (1884–1949)》，发表在《Chemie in unserer Zeit》，19卷，1985年，59–67页，doi:10.1002/ciuz.19850190205
  7. ^ Paul Walden：《Geschichte der organischen Chemie seit 1880》，Springer Verlag，1972年，ISBN 3-662-27210-5，847页
  8. ^ 弗里德里希·貝吉烏斯，诺贝尔演讲：《Chemical Reactions under High Pressure》。Nobelprize.org。Nobel Media AB 2014。Web. 2016年9月2日网上版.
  9. ^ Federal Oil Conservation Board：《Public Hearing – May 27, 1926》，Government Printing Office，华盛顿特区，1926年：网上版，2025年7月17日巡查
  10. ^ Franz Spausta：《Treibstoffe für Verbrennungsmotoren》，Springer Verlag，1939年，54页 (再版：ISBN 978-3-7091-5161-7)
  11. ^ Karl Becker：《Die Geburt der Hochdruckchemie und das Leuna Werk: Ein Stück Geschichte der technischen Chemie – Teil 1》，发表在《Chemie Ingenieur Technik》，85卷，2013年，1824–1834页，doi:10.1002/cite.201300096.
  12. ^ Rainer Karlsch和Raymond G. Stokes：《Faktor Öl: die Mineralölwirtschaft in Deutschland 1859–1974》。Verlag C.H. Beck，2003年，ISBN 3-406-50276-8,136页
  13. ^ 13.0 13.1 Matthias Pier：《Der Weg zum deutschen Benzin》，1942年7月22日马蒂亚斯·皮尔60岁生日时广播采访的记录。网上版
  14. ^ Werner Abelshauser：《Die BASF, eine Unternehmensgeschichte》。Verlag C.H. Beck，2003年，ISBN 3-406-49526-5，206页
  15. ^ Wolfgang Birkenfeld：《Der synthetische Treibstoff 1933 - 1945》，哥廷根，1964年，31页
  16. ^ Emanuel Heisenberg：《Momente der Entscheidung: Tödliche Synthese》，发表在：《Die Zeit》2004年6月3日：（网上版）
  17. ^ 17.0 17.1 Werner Abelshauser：《Die BASF, eine Unternehmensgeschichte》，Verlag C.H. Beck，2003年，ISBN 3-406-49526-5，238–242页
  18. ^ Judith Mirzoeff：《Cracking the oil from coal Problem》，发表于《New Scientist》，1980年7月17日，223页
  19. ^ Titus Kockel：《Deutsche Ölpolitik 1928–1938》。Akademie-Verlag，2005年，ISBN 3-05-004071-8，100页
  20. ^ Wilhelm Treue：《Hitlers Denkschrift zum Vierjahresplan 1936》，发表在《Vierteljahrshefte für Zeitgeschichte》，2/1955，184页（网上版（2025年7月21日巡查）
  21. ^ Günter Bayerl：《Braunkohleveredelung im Niederlausitzer Revier. 50 Jahre Schwarze Pumpe》。Waxmann Verlag，2009年，ISBN 978-3-8309-1684-0，63页
  22. ^ Karl Heinz Blumenhagen：《Die deutsch-sowjetischen Handelsbeziehungen 1939-1941 und ihre Bedeutung für die jeweilige Kriegswirtschaft》。Verlag Dr. Kovač，1998年，212页
  23. ^ 引用错误：没有为名为franck2的参考文献提供内容
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