战略性新兴产业是如何育成的？——哈伯-博施合成氨法的发明与应用过程考察，本文主要内容关键词为：合成氨论文,战略性论文,新兴产业论文,过程论文,哈伯论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N09 文献标识码：A 文章编号：1674-7062(2011)01-0084-11
2007年10月，瑞典皇家科学院宣布，将把该年度的诺贝尔化学奖授予德国马普学会(Max-Planck Society)的格哈德·埃特尔(Gerhard Ertl，1936-)博士，以表彰他在固体表面化学过程研究领域所作出的开拓性贡献，尤其是在描述哈伯-博施法合成氨反应过程催化机理以及建立表面非线性反应动力学理论方面所取得的杰出成就。[1]此乃合成氨研究领域诞生的第三位诺贝尔奖得主。此前，德国化学家弗里茨·哈伯(Fritz Haber，1868-1934)博士和卡尔·博施(Carl Bosch，1874-1940)博士主要因发明或改进了用氮气和氢气合成氨的方法而分别获得1918年和1931年的诺贝尔化学奖。
在埃特尔获奖后的第二年，美国科普作家托马斯·黑格(Thomas Hager)快速推出了《空气炼金术》一书，着重讲述了哈伯和博施为了解决德国的肥料生产严重依赖智利硝石问题而投身合成氨研究的动人故事。[2]黑格在该书的第十章末尾处写道：德国巴斯夫公司(BASF)一战前启动的合成氨法固氮工程堪称是史上最大的科学事业，足以与二战期间美国的曼哈顿工程匹敌。[2]122今天，对曼哈顿工程知之不详的学者可谓凤毛麟角，然而，道不明BASF的合成氨法固氮工程的却大有人在。
在中国，贺炳昌、袁翰青等人曾对合成氨产业的早期发展史进行过大胆的探索。[3][4]因前些年国内的有关一手文献，甚至是二手文献都很贫乏，所以这些早期研究深度略显不足，而且谬误在所难免。最近，情况似有所改观，如张清建前不久主要依据科特斯(J.E.Coates)的一份演讲报告[5]整理出来的文章[6]就显得相当有分量。但是，此类人物史论著都没有从正面探讨哈伯-博施法的发明经纬。因此，有必要对BASF的合成氨法固氮工程展开更为深入的考察。
尽管详细揭示BASF的合成氨法固氮工程的全貌非常重要，但是研究重要史实的目的终究不只是为了弄清事件的真相。从某种意义上讲，研究重要史实主要还是为了揭示掩藏在历史现象背后的撬动历史发展的要因，并用于解释过去的社会现象，解决今日的社会问题。遗憾的是，因篇幅有限，本文的重点只能放在厘清基本史实，也即依据现有研究资料为国人勾勒出哈伯-博施合成氨法的发明与应用过程轮廓一事上。至于合成氨在德国率先实现产业化的深层原因及其对我国培育和发展战略性新兴产业的启示，则需留待日后另文讨论。
一 合成氨研究兴起的背景
如众所知，1798年，马尔萨斯(Thomas R.Maithus，1766-1834)在《人口原理》一书中指出：在无所妨碍的情况下，人类的性本能决定着人口将以几何级数增长；而在“土地收益递减规律”的作用下，食物只能以算术级数增长。由于人口的增长速度远大于食物的增长速度，因此人类欲摆脱食物不足引起的贫困与恶习，就必须采取措施抑制人口的过快增长。其实，实现人口增长与食物供给之间的平衡还有一个办法，那就是依靠技术进步来增加食物的供给，只是马尔萨斯当时并没有看到这一点罢了。
马尔萨斯的《人口原理》揭示了一个事实：工业革命后的英国人口出现了快速增长。实际上，随着工业革命席卷整个欧洲，欧洲各国的人口都出现了一定程度的增长。这样，如何用有限的土地养活更多的人口，便成了摆在欧洲各国面前的一个重大课题。与占有大量殖民地的老牌资本主义国家，如英国、法国、西班牙、荷兰等国相比，19世纪的德国满足国内粮食需求的压力尤其巨大。要扩大粮食生产首先必须增加肥料的供给，而当时人畜粪便和堆肥等传统肥料已无法满足日益增长的粮食生产的需求，故欧美等国不得不想方设法开拓新的肥料供应源。秘鲁钦查(Chincha)群岛上的鸟粪山就是在这个时候开始引起西方商人关注的。
尽管19世纪初一些欧美学者已经测出钦查群岛上的鸟粪石中含有大量的尿素和氨，知道它是一种非常好的肥料，但在蒸汽船开始投入商业使用之前，不辞辛苦地把钦查群岛上的鸟粪石运回去当做肥料的西方商人并不多。欧美各国从秘鲁大量进口鸟粪石乃是1840年以后的事。至1850年，仅英国一年从秘鲁进口鸟粪石的量就高达10万多吨。[7]空间距离更近，主要种植棉花和烟草的美国，进口鸟粪石的量只会比英国还要多。由于开采量太大，19世纪50年代后期，人们就已发现，数千年堆积而成的钦查群岛上的鸟粪山不出二十年便被挖得依稀可见地表岩层了。[2]25-36
肇始于18世纪英国的工业革命还导致另外一个后果，炸药的使用量激增。机器大工业是建立在钢铁的大量使用基础之上的，而钢铁供应量的增加有赖于采矿业的发展，开矿不能没有炸药。另一方面，输送原料和产品以及劳动力需要兴建铁路、开挖运河，这些基础设施建设同样离不开炸药。1853年爆发的克里米亚(Crimean)战争更是将欧洲炸药的需求量推向了一个高峰。显然，进入19世纪中期后，17世纪后期发现的印度恒河旧河道上的硝石矿床已无法满足西方的需要，故英、法、德等国不得不把目光投向了南美阿塔卡马(Atacama)沙漠太平洋沿岸附近的硝石产地。该地区19世纪中期前属于秘鲁管辖，后因秘鲁战败而割让给智利。
智利硝石与中国火药不同，它的主要成分是硝酸钠，而不是硝酸钾。因人们先后找到了将硝酸钠转换为硝酸钾乃至硝酸的有效方法，加上诺贝尔(Alfred B.Nobel，1833-1896)又在1866年发明了使用硝酸制造高性能炸药的方法，故智利硝石受到很多欧洲人的关注。当然，它最初并非被用于提高农作物的产量，而是被用于生产炸药。后因秘鲁钦查群岛上的鸟粪石资源濒临枯竭，故欧洲各国开始进口智利硝石以替代秘鲁鸟粪石。19世纪后期，在生产炸药和肥料两种需求的刺激下，智利硝石的出口量猛增。[2]52面对这种局面，欧洲人又开始担忧智利硝石是否会像秘鲁鸟粪石一样很快就被消耗殆尽的问题了。化学元素铊的发现者和辐射计的发明者、1913年当选英国皇家学会会长的克鲁克斯(William Crookes，1832-1919)可以说是其中的代表者之一。
1898年，克鲁克斯在英国布里斯托尔(Bristol)召开的不列颠科学促进会大会上发表会长演讲时说道，马尔萨斯出版《人口原理》至今刚好满100周年，现在看来，马尔萨斯的预言极有可能变成现实，也即人类很快就会面临食物严重短缺的危机。他认为，自然界中的肥料有限，不可能长期满足人类粮食生产的需求。像智利硝石，按照目前这种趋势发展下去，20世纪20年代就会濒临枯竭；即使乐观估计，40年代也肯定会告罄。如果届时找不到新的可供大量使用的肥料源，欧洲的粮食，尤其是小麦的产量出现下跌将无可避免。因此，他呼吁科学家们立即行动起来，着手研制可大量合成的新型肥料，尤其是能把空气中大量存在的氮气转换成种植小麦时不可或缺的含氮肥料，以将人类特别是白色人种从饥饿中解救出来。[2]3-10
自1840年德国化学家李比希(Justus von Liebig，1803-1873)揭示出了氮、磷、钾等元素对农作物的生长意义之后，人造肥料的生产便迈上了一个新的台阶。不过，李比希当时以为，农作物生长所需的氮可以直接从空气中吸收，故无须在人造肥料中添加含氮化合物。后来，英国的劳斯(John Lawes，1843-1910)和吉尔伯特(Joseph Gilbert，1817-1901)用实验证明，农作物不仅需要氮营养，而且通常只能从土壤中摄取氮营养。[8][9]这样一来，如何快速、廉价地制取含氮化合物，特别是把空气中大量存在的氮元素固定下来便成了一个至关重要的课题。
人类最早开发出来的含氮化学肥料是硫酸铵。尽管这种在生产焦炭和煤气时加工获得的副产品价格低廉，但是它的产量非常有限，根本满足不了欧洲的农业生产需要。欲彻底解决欧洲的氮肥供应问题，只有一条路可走，就是从空气中固氮。一些人曾尝试着先用石灰和焦炭制作碳化钙，然后再让其与氮气反应生成石灰氮(CaCN[，2]，氰氨化钙)。还有一些人则尝试着模仿闪电，利用高压电弧来促使空气中的氮气与氧气结合成一氧化氮，然后将其转换成二氧化氮，再用水或碱把它转换成硝酸或硝酸盐。[10]但是，在克鲁克斯1898年发表演讲时，上述两种使用氮气生产氮肥的方法都还停留在实验研究阶段。其工业化应用则是进入20世纪之后的事。
1900年，担任莱比锡大学化学系教授、物理化学研究所所长，后来于1909年获诺贝尔化学奖的德国学者奥斯特瓦尔德(Friedrich W.Ostwald，1853-1932)决定响应克鲁克斯的号召，启动直接用氮气和氢气合成氨的研究。不过，奥斯特瓦尔德最初展开合成氨研究的动机并非是为了拯救整个人类，而是为了预防德国的硝石运输线有可能被英国海军切断的不测。[2]77-80当时，英国人同荷兰移民后裔布尔人为争夺在南非的领土和资源鏖战正酣，在布尔人治地内建立了强大经济和政治势力的德国无疑站在了英国的对立面。英布战争的爆发迫使奥斯特瓦尔德开始思考，万一英国与德国之间爆发全面战争，德国的粮食供应和炸药生产问题该如何解决？在奥斯特瓦尔德看来，答案非常清楚，那就是德国无论如何也要攻克用氮气和氢气合成氨的难题。
此前，已有很多人从事过合成氨研究，因物理化学尚处于发展初期，人们对化学反应中的平衡与速率之类问题理解不深，故早期的合成氨研究大都没有取得实质性的进展。奥斯特瓦尔德是催化研究领域的专家，被誉为“物理化学之父”。他认为合成氨的关键在于实现温度、压强和触媒之间的平衡。他在实验中发现，使用铁丝做触媒，对氮气和氢气进行加热后可获得一定量的氨。无疑这项实验研究结果令他兴奋不已。他迅速向有关部门递交了专利申请，并试图将这项技术高价卖给对人工固氮技术持有浓厚兴趣的BASF。[2]77-79
BASF主要是依靠生产化学染料起家的。在研制合成靛蓝染料过程中，BASF逐渐组建起了一支庞大的科研队伍，并取得了多项对公司的发展至关重要的研究成果。至1899年，BASF俨然已成了拥有150名科研人员的德国最大的化学公司。当时，化工行业的模仿行为非常猖獗，企业只有依靠不断创新，才能保持住自身的竞争优势。继1897年合成靛蓝染料技术开发取得成功之后，BASF认为下一个主攻目标应该是含氮化学肥料。这不仅是因为德国的肥料和炸药生产过于依赖智利硝石，而且还有化学肥料市场规模将会远远超过化学染料市场方面的考虑。为此，BASF很早就开始着手从事人工固氮研究，只不过他们最初关注的乃是电弧法和石灰氮法而已。[11]
当奥斯特瓦尔德来到BASF征询转让自己的合成氨技术的可能性时，BASF表现出了浓厚的兴趣。在决定是否购买该项技术时，有关负责人让进公司还不到一年的博施对他的合成氨实验进行了追试。博施的追试实验一开始并未能像奥斯特瓦尔德一样获得痕量的氨。后来，使用奥斯特瓦尔德给的铁丝做触媒，他总算合成出了一些氨。可是，之后又合成不出。[2]94-96通过研读文献和反复实验，博施确信，自己抽出来的氨实际上是因奥斯特瓦尔德给的铁丝曾发生过氮化反应而引起的。这意味着奥斯特瓦尔德在实验中获得的氨不太可能是氮气和氢气的反应生成物。博施得出的结论令奥斯特瓦尔德难以接受。双方经过一番争论之后，奥斯特瓦尔德最终意识到自己用做触媒的铁丝确实有可能在做氨分解实验时使用过，这样所获得的氨就不会是氢气和氮气的反应生成物，而是氢气和氮化铁反应的结果。[12]39-42于是，他中止了相关专利的申请，并决定不再从事合成氨研究。[13]134
1901年前后，法国化学家勒夏特列(Henry Le Chatelier，1850-1936)也对合成氨进行了研究。不过，勒夏特列在使用铁做触媒对氮气和氢气进行合成实验时发生了爆炸。由于实验风险比较大，故勒夏特列最终放弃了用氮气和氢气合成氨的研究。[14]尽管勒夏特列和奥斯特瓦尔德一样并没有用氮气和氢气合成出氨，但他还是于1901年把自己的部分中有价值的研究成果整理出来，使用外国人的名字在法国申请了一项专利。[15]
二 哈伯从事的实验室研究
虽然奥斯特瓦尔德和勒夏特列最终都放弃了用氮气和氢气合成氨的研究，但不少德国学者20世纪初仍前赴后继地展开了这项被认为深具研究价值的研究。其代表人物有能斯特(Walther H.Nernst，1864-1941)和哈伯。能斯特博士1904年起担任柏林大学的物理化学教授，1920年因发现热力学第三定律而荣获诺贝尔化学奖。哈伯博士1898年起担任卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)高等工科学校物理化学和电化学副教授，1906年升任教授，1919年因发明用氮气和氢气直接合成氨的方法而荣获1918年度诺贝尔化学奖。
哈伯早期主要从事电化学研究，1902年参加美国电化学学会年会期间参观了设在尼亚加拉瀑布附件的一座电弧法固氮中试工厂，并对人工固氮研究产生了兴趣。[16]65回国后，哈伯便开始着手从事电弧法固氮研究，因实验进展不够理想，故从1904年开始把研究重点转向合成氨。其契机是聘请他担任科学顾问的维也纳马古里(Margulies)兄弟公司对使用空气中的氮气制造有着广阔市场前景的氨一事颇感兴趣，并表示愿意提供相关研究资助。[5][13]
最初，哈伯在研究过程中主要遇到了两个难题：一是组成氮气分子的两个氮原子结合得非常紧，很难把它们分离，除非将它们加热到1 000℃以上；二是氮原子和氢原子结合成氨分子时，会产生大量的热能，如果不能快速地对氨进行冷却处理，氨分子很容易吸热分解。结果，哈伯虽然使用铂制成的实验装置在高温条件下将氮原子从氮气分子中分离出来，但未能很好地解决氨的快速冷却分离等问题，故在实验中获得的氨的数量极少。由于合成氨的产率太低，工业化生产前景不妙，故哈伯打算放弃这项研究，并中止同马古里兄弟的合作。1905年，征得马古里兄弟的同意，哈伯公开发表了他在研究过程中获得的部分数据。[2]66-68
柏林大学的能斯特当时也在从事与合成氨相关的研究，他在把自己发现的热定理运用到氨的平衡研究过程时，计算出了在不同温度条件下用氮气和氢气合成氨时的产率。该计算值远小于哈伯的实验数据。能斯特认为哈伯的数据偏大极有可能是因实验误差造成的。于是，他让自己的研究助手进行了实验验证。为减少实验误差，能斯特指示助手加大压强以提高合成氨的浓度。加压实验所得出的数据与能斯特依据热定理计算出来的数值相当吻合。[5]1906年秋，能斯特把自己研究得出的数据远小于哈伯测得的数据一事写信告诉了哈伯，并说自己在1907年春召开的德国本生学会会议上将会公开这些数据。哈伯对能斯特的质疑非常重视，当即对双方的数据进行了比较分析。哈伯注意到，能斯特助手的实验是在高压下进行的，而他自己的实验是在常压下进行的。提高压强，加大浓度，确实可以减少合成氨产率测定值误差。于是，哈伯做完常压下的验证实验之后，又开始提高压强进行了一系列测试。[10]实验结果表明，哈伯将原实验测得的氨的产率上限值视做真实值有问题，实际上原实验测得的下限值才更加接近产率真实值。尽管哈伯的新实验数据更加接近能斯特的计算值，但两者之间的差距仍然很大。[5]
在1907年春召开的德国本生协会会议上，能斯特和哈伯先后公开了自己的最新研究结果。由于双方的氨产率数据差异比较大，故彼此之间为谁是谁非一事发生了争执。当时，能斯特毫不留情地指出哈伯新近测得的数据同样充满了谬误。[5]能斯特的批评对于一名普通大学教授和少数族群的学者来讲无疑是一种羞辱。哈伯回到学校后便一头钻进实验室，几乎把所有时间都用来从事合成氨研究。他发誓一定要洗刷掉能斯特泼在自己身上的脏水。
在此后半年多的时间里，哈伯在其年轻的英国助手罗塞格尔(Robert le Rossignol，1884-1976)的协助下，通过改进实验装置，加大反应压强对合成氨展开了一系列研究。罗塞格尔不仅擅长于机械设备的加工制作，而且还跟随1904年的诺贝尔化学奖得主拉姆齐(William Ramsay，1852-1916)从事过一段时间的氨分解研究。这对哈伯的合成氨研究帮助极大。[13]当哈伯和罗塞格尔把反应压强加大到远高于能斯特实验所加压强值时，他们获得了超出预期的好结果。尽管1908年初哈伯已经掌握了以比较高的产率用氮气和氢气制取氨的技术，但该项技术离工业化生产的要求还有相当一段距离。接下来的任务很清楚，就是设法筹措更多的科研经费，大幅提高合成氨实验装置的性能，雇用更多的助手进行合成氨实验研究。至于和能斯特之间的争执，哈伯觉得已无需去理会它了。[2]80-81
1908年2月，在担任德国枢密顾问的卡尔斯鲁厄高等工科学校化学系主任恩格尔(Carl Engler，1842-1925)的推荐下，哈伯与BASF董事长、前总裁布伦克(Heinrich von Brunck，1847-1911)进行了接触，并于次月签订了一份合作协议。[2]89-90此后，在BASF的资助下，哈伯与罗塞格尔添置了一批高压研究设备。以前，因担心实验装置承受不了，哈伯未敢把反应压强加得太高。这次，他打算重点研究100～200个大气压下的氨的合成情况。如此高的压强，一般容器都承受不了。为此，哈伯和罗塞格尔请实验室里的技术工人特制了一个厚壁石英管，并在其外侧加了一个铁保护层；此外，还特制了一批高压阀、接头等零部件。实验结果表明，随着压强的不断提升，氨的产率不断增大。当压强加大到200个大气压时，温度即使下降到500～600℃之间，氨的产率也不会明显减少。[2]90-91这在温度超过700℃时，触媒活性大都会急剧下降的情况下，意义非同寻常。
之后，哈伯他们又对整个实验装置进行了多次改进，以便能够对反应生成的氨进行快速冷却处理，并可以利用反应过程中释放出的热量来预热输往反应室的氮气和氢气。此外，他们还设计了一个循环系统，以使反应室中未参加反应的气体经分离器分离后再返回反应室参加合成反应。[15]1908年10月，BASF即时为哈伯这种基于未反应气体循环利用和反应热回收利用思想的氨合成法申请了专利。[12]72
在弄清了温度和压强的最佳平衡点之后，为了进一步提高氨的生成速度，哈伯便集中精力对触媒进行筛选。他和助手一起先后对粉状的镍、镁、铂等进行了测试，但效果均不理想。之后，他又把主要从事煤气灯开发的柏林阿乌尔(Auer)公司先前委托其做实验时提供的稀有物质试料拿出来进行测试，并于1909年3月发现使用锇做触媒可以大幅提高氨的生成速度。[12]73-74这意味着氨的工业化生产前景已经变得相当明朗了。
虽然哈伯的合成氨实验研究取得了重大进展，但其实验装置中的高压反应室是用石英结晶制成的。工业化生产时，为提高合成氨的产量，必须大幅扩大高压反应室的尺寸。可是，自然界中不可能存在如此巨大的石英结晶。BASF如何解决既可以承受高压高温，又可以长期连续运行的合成氨反应装置的制作难题？再者，自然界中锇的蕴藏量非常少，其价格相当昂贵；而且锇用做触媒之后，很容易转变成为易挥发性的氧化物，故必须定期更换。合成氨装置投产后，锇资源能够满足BASF的生产需求吗？当时的BASF研发部部长认为，这两个问题短期内根本就解决不了，因此不太愿意继续资助哈伯从事合成氨研究。[2]92，93
哈伯的上司恩格尔得知这一消息后，再次出面写信给布伦克，力陈继续支持哈伯从事合成氨研究的必要性。于是，布伦克亲自带着研发部部长以及固氮项目负责人博施来到哈伯的实验室。现场考察结束之后，研发部部长继续坚持原来的看法；曾主攻过冶金学与机械工程，后来改学有机化学的博施则认为耐高压高温设备的制造难题有可能解决，但用锇做触媒行不通。听完两位部下的意见之后，布伦克决定，继续资助哈伯的合成氨研究，但在一些关键性技术难题尚未解决之前，不要轻易启动其他分支项目的研究。[2]93，98
由于即使把世界各国生产的锇全部买来用做触媒也合成不了多少氨，所以只要找不到可替代锇的新触媒，哈伯研制的合成氨技术就不会有大规模地转化为现实生产力的可能。显然，寻找新触媒成了摆在哈伯面前的最为紧迫的任务。幸运的是，在罗塞格尔的协助下，哈伯很快就找到了功效同样非常显著的新触媒——铀。[10]这样，剩下来的问题就是合成氨实验装置能否持续稳定运行一事了。经过不懈的努力，哈伯等人终于在1909年7月的一次模拟实验中，使整个系统持续稳定地运转了5小时之久。当时，高压反应室中的氮气被转化成氨的达6％—8％。[2]99是时，哈伯尚不满40岁。
哈伯的研究使BASF公司有关人员意识到，哈伯等人研制的合成氨装置不仅在将氮气以较高的产率转化为氨方面取得了成功，而且其中的未反应气体循环利用系统和反应热回收利用系统在很大程度上提高了装置的经济性。很明显，该装置的能耗远小于电弧法固氮；进行放大设计后，其固氮成本甚至可以同智利硝石竞争。如此一来，不仅德国的肥料和炸药的原料供应不需要再依赖进口，而且BASF还可以顺势实现转型发展。
此后，有关合成氨的研究开始由实验室研究走向中间试验研究，研究中心也由哈伯的实验室转移到了BASF。作为研发奖励和不外泄技术的补偿，BASF允诺，每年给哈伯支付2.3万马克的薪水和研究费。另外，投产之后，每生产1千克合成氨，给哈伯提取数便士红利。对哈伯来讲，这比一年半前签署的合作协议要优厚很多。[2]103
1910年3月，哈伯在卡尔斯鲁厄召开的自然科学家联盟会议上发表公开演讲时介绍了自己近年从事合成氨研究的一些情况。[10]当然，出于维护BASF利益的考虑，很多实验细节哈伯在演讲中并未提及。尽管如此，他的有关研究仍然在学界和企业界引起了轰动。此后，从美、英、法、日等国前来哈伯研究室访问进修的人员数急速攀升，高峰时留学访问人员数高达40余人。[16]其规模已经完全超过了柏林大学的能斯特研究室。[17]1911年，哈伯应邀前往柏林担任威廉皇帝物理化学和电化学研究所所长，同时兼任柏林大学教授。离开卡尔斯鲁厄后不久，哈伯便告别了为之奋斗多年的合成氨实验研究。
三 博施主持的中间试验研究
合成氨的中间试验研究是在博施的领导下展开的。当时，博施年仅35岁。
博施1900年在对奥斯特瓦尔德的合成氨实验进行追试时崭露头角之后便引起了BASF总裁布伦克的关注。此后，他被安排到公司的优先发展领域——人工固氮项目组工作，主要从事一些与电弧法固氮有关的研究。1902年，挪威海德鲁公司(Norsk Hydro)率先研制出一种无需使用强磁铁即可实现放电的高压电弧炉。这种电弧炉虽然可以实现人工固氮，但它的电耗非常大。这在水电资源丰富的挪威和美国问题不大，但在水电资源贫乏的德国其固氮成本高得令人难以接受。因此，博施很早就开始把自己的关注点转移到了其他固氮研究领域。[12]49-51不过，结果都无功而返。[12]56-69
正当博施苦于找不到好的人工固氮方法时，传来了哈伯用氮气和氢气合成氨获得了不错结果的消息。BASF经过评估之后，决定资助哈伯从事人工固氮研究，同时任命博施全权负责该项目的协调工作。在博施的协调下，不到一年半，哈伯的实验研究便取得了重大进展，接下来的中试研究当然也就顺理成章地交由博施来组织实施了。
与实验室研究不同，中间试验研究耗资庞大，如果研究资金得不到保障，研究很难在短期内见到成效。幸运的是，布伦克力排众议，给博施的中试研究开了一张可自由填写经费额度的空白支票[2]103，而且还授权他可以自由地从公司各部门抽调人员，甚至从外单位直接招聘新员工。[12]77-82这无疑为博施在合成氨技术开发领域建立功勋创造了非常好的条件。博施最终没有辜负布伦克的信任，不仅使合成氨的工业化生产取得成功，而且还因在开发高压化学方法方面作出了开创性的贡献而登上1931年的诺贝尔化学奖领奖台，为BASF赢得了莫大的荣誉。
博施于1909年夏开始主持合成氨项目中间试验研究时，面临的难题可谓数不胜数，其中最大的三个难题是，廉价高效触媒的开发，高纯度原料气体的大量生产和大型耐高温高压合成反应装置的研制。新触媒的开发由米塔斯(Alwin Mittasch，1870-1953)博士具体负责。他曾在奥斯特瓦尔德的指导下主攻过物理化学和触媒化学。尽管哈伯继锇之后又发现了铀具有比较好的催化功能，但铀对氧气和水非常敏感，其催化效果很容易丧失。因此，铀和锇一样都不能算是理想的触媒。[18]理想的触媒既要能大幅提高反应速率，又要能长时间地在高温高压环境下稳定工作。这意味着筛选理想触媒时，至少要让触媒在苛刻条件下连续工作数日。
米塔斯和助手们设计出了一种可迅速更换触媒的小型实验装置。实验时，他们通常会同时启动20多台这种装置以对不同的触媒进行测试。如此奋战一个多月，测试完所有元素之后，米塔斯他们开始对金属混合物进行测试。在此过程中，他们发现，一种瑞典产的磁铁矿催化效果不错，而其他地区产的磁铁矿都没有这么好的效果。于是，他们在纯铁中按照不同的比例一次掺入一种元素进行测试，之后又按不同的比例同时掺入两种元素，甚至是三种元素进行测试。结果显示，用纯铁做触媒几乎没有任何效果。但是，掺入某些物质后，仿佛是给铁施加了魔法似的，其催化效果陡增。当时，他们把添加到纯铁中的物质叫做促进剂。[19]问题是，添加什么促进剂，以什么比例添加催化效果最好？显然，只有不停的测试才能找到最佳答案。
1910年1月初，米塔斯领导的触媒研究小组发现，在铁中添加氧化铝后，其催化效果几乎与锇相同。再添加少量氧化钾，其催化效果更佳。不过，这种触媒遇到硫磺、氯气之类杂质时，催化效果会大幅下降。[20]尽管如此，因这种触媒为固体，很容易生产，且价格低，故仍可称得上是一种相当不错的合成氨触媒。此后，为了寻找更加理想的触媒，米塔斯小组又对有可能成为触媒的物质进行了成百上千次实验。截止于1912年初，米塔斯小组对2 500种触媒进行了6 500次实验。[10]至1920年触媒筛选实验小组全面解散时为止，该小组一共做了2万多次实验。[19]遗憾的是，他们后来未能发现比铁、氧化铝、氧化钾三者的混合物催化效果更好的合成氨触媒。
由于新研制的触媒很容易被原料气体中的有害杂质毒化而失效，因此合成反应对原料气体的纯度要求很高。当时，大量制取高纯度氮气的技术条件已经具备。但是，要像制氮一样把液态空气中的氢气高纯度地分离出来，成本太大。是故，博施他们只得尝试着用电解盐水法制取氢气，后因反应速度太慢，用电量太大而作罢。之后，他们决定改用水蒸气与灼热的焦炭反应来制取氢气。问题是，生成气体中含有不少一氧化碳。
为了清除氢气中的一氧化碳等有害气体，博施专门组建了一个攻关小组。该小组经过多方努力，最终由能斯特的一名弟子提出，先用氧化铁将氢气中的一氧化碳转化成二氧化碳，然后再将新生成的混合气体压入水塔底部以过滤掉二氧化碳等有害气体，接着再用带有活性炭层的精制系统进一步提高氢气的纯度。不过，如此处理之后，氢气中仍含有少量一氧化碳。如何才能清除掉这些一氧化碳？有人提出，可使用铜离子溶液来进一步清除这些残留一氧化碳。不过，铜离子溶液对铁具有腐蚀作用，而他们所使用的装置大都是用铁质零部件制成的。如何解决这一难题？博施等人折腾了多个回合之后，仍未取得实质性的进展。无奈之际，博施把这项工作交给了一名叫卡尔·克劳赫(Carl Krauch，1887-1968)的年轻人。克劳赫受命把可能有效的物质都找来，制作了一批铜离子溶液试样，然后跑出去度假了。他回来后发现，只有一种含有氨水的铜离子溶液中的铁没有被腐蚀。[12]134-135这意味着，只要在用于去除一氧化碳的铜离子溶液中加入一定量的氨即可解决铁的腐蚀问题。至此，大量制造高纯度氢气的工艺终于开发完成。
在廉价高效触媒的开发和高纯度原料气体的大量生产问题相继解决之后，如何设计制造能耐高温高压的大型合成反应装置便成了摆在博施面前的当务之急。尽管哈伯此前研制出来的实验装置可以给中试反应装置的研制提供不少借鉴，但是中试反应装置只对实验室装置进行简单放大显然行不通。
博施等人开始研制中试反应装置时首先遇到的问题是，大型空气压缩机如何解决？相关研究人员调查后发现，当时最大的空气压缩机是给矿井输送空气用的。这种压缩机的最大压强根本满足不了合成氨反应装置的要求。至于液化空气用的压缩机，虽然可以进行放大处理，但它无法在高温条件下持续运行，因为其接头都是铜制的。还有，制冷用压缩机密封性不强，容易产生泄露。因此，博施所率团队只能以此为基础，并根据合成氨生产的需求重新进行设计。[2]114
合成反应容器的工作环境非常恶劣。其内部压强通常是蒸汽锅炉的20倍，温度高得可以把铁烧红；而且，在此情况下，还要确保按一定比例持续输入的氮气和氢气不发生泄漏，生成的氨可以很方便地抽到分离器。因此，博施他们不得不自行设计制造一批专用监控仪器仪表。为安装这些仪器仪表，还得研制一批特殊接头和阀门。除此之外，如何给合成反应容器加热？如何维持合成反应容器内部的压强？使用什么材料制作？这些问题，都有待一一解决。[2]114-115
在研制中试用合成反应容器过程中，博施他们不仅对当时最先进的蒸汽机车、汽油发动机和柴油发动机等进行了研究，而且还走访了大型钢铁企业的负责人，并请他们介绍了大炮制造技术的最新发展情况。之后，博施开始将相关研究人员按任务功能进行了编组，并新招了一批工程技术人员，同时还成立了一个机械加工厂。在博施的率领下，全体人员连续奋战多月，终于设计制造出了两台高达2米4的圆柱形合成反应容器，并将其置于用强化混凝土制成的防护罩内。[2]114-116意想不到的是，这两台中试用合成反应容器只运行了三天就爆炸了。[12]102
爆炸是因圆柱形合成反应容器内壁多处出现龟裂引起的。为深入调查爆炸原因，博施专门成立了一个金属材料研究室。强度测试表明，用碳素钢制成的反应容器内壁已经脆化。问题是，米塔斯使用小型高压实验装置筛选触媒时怎么没有出现这种情况？这令博施他们百思不得其解。最初，研究人员以为是因反应容器内外壁温差过大造成的。可是，进行一系列改进性设计之后，内壁照样会出现龟裂。于是，有人推测，可能是因氨与内壁上的铁发生反应造成的，但对爆炸碎片进行检测后确认，铁内壁并没有被氮化。最后，研究人员发现，爆炸是因粒径很小的氢原子在高压下钻进了受热膨胀后的碳素钢内部，并与其中的碳元素发生反应造成的。[19]由于合成反应条件很难改变，故摆在博施面前的选择只剩下两个，要么改用其他金属制作反应容器；要么给碳素钢反应容器内壁加一道保护层。
当时能够用来制造耐高温高压反应容器的只有铂等少数贵金属。用这些贵金属来制作合成反应容器成本太高。于是，博施只得委托冶金专家为其研制一种不容易和氢发生反应的高强度钢材。可是研制出的高强度钢材都或多或少地含有一些碳元素。这样一来，只能给碳素钢反应容器内壁加保护层了。糟糕的是，无论给内壁涂什么保护层，氢原子在高压的作用下都可以很容易地穿透它，并钻进碳素钢的内部，除非在内壁上涂上一层纯金，而这样成本又太高。自反应装置首次爆炸以来，数十名科研人员、几百名辅助人员不惜一切代价地忙碌了近半年，最终仍未能拿出一个可被接受的方案。[2]118-119
博施在对加保护层方案进行分析总结时意识到，迄今为止，他们所做的一切都是为了防止氢原子在高压的作用下向受热膨胀后的金属材料内部渗透。为何一定要阻止氢原子渗透呢？问题的关键是不要发生爆炸，而不是单纯地阻止氢原子渗透。顺此思路，他想出了给高强度碳素钢圆筒加内衬的方案。使用内衬的主要目的是阻挡氢原子向其外侧的碳素钢圆筒内壁渗透。如果内衬使用久了发生脆化，可以进行更换。只要内衬能把渗透到其外侧的氢原子的数量大幅度降下来，那么内衬外侧的碳素钢圆筒就不大会发生内壁脆化现象。[19]至于内衬所使用的材料可以是强度不高、含碳量很低的熟铁。
加熟铁内衬之后，如何将渗透到内衬外侧的少量气体及时地排放出去？如果不及时地排出这些气体，它们会越积越多，进而侵蚀内衬外侧的碳素钢圆筒。面对这个棘手问题，博施再度陷入长考，并于1911年2月偶然意识到：此前，他们一直在努力防止反应容器内的氢气外泄，生怕泄漏出来的氢气遇氧后发生爆炸。其实，氢气泄漏出来后，只要在空气中的浓度没有达到发生爆炸的程度，人们就可以不用去管它。这意味着在碳素钢圆筒上钻一些小孔，直接把渗透到内衬外侧的少量氢气排放出来并不至于造成太大的危险。[19]
1911年3月，博施把上述想法付诸实施之后，发现防爆效果非常明显。尽管这些做法的技术含量不高，但其成本非常低，关键是能够有效解决合成反应容器的爆炸问题。无疑，BASF很快就为这些技术思想申请了专利。
改进设计后的合成反应容器虽然轻易不会发生爆炸，但仍会不时地出现一些故障，以致1911年秋季前中试装置的持续运转时间从未超过两天。[12]114毋庸赘言，所遇到的难题最终都被博施他们一一解决了。[19]1911年底，日产氨量高达数吨的中试装置终于实现了稳定运行。[2]122这意味着大规模兴建合成氨工厂的技术可行性已基本具备。
四 合成氨的批量生产与推广应用
博施领导的中试研究能够取得成功，与布伦克的大力支持有着很大的关联。布伦克乃著名有机化学家凯库勒(Friedrich A.Kekule，1829-1896)的弟子，他19世纪末在主持合成靛蓝染料技术开发时取得重大突破，为BASF的发展壮大打下了重要的基础。1911年春，博施解决高压合成反应容器的爆炸问题之后，他就已预感到，兴建工厂批量生产合成氨的时机已趋成熟，于是决定将BASF持有的主要从事电弧法固氮技术开发的海德鲁公司的股票抛售给法国的一家竞争对手，并即时中止一批待开发项目，同时从BASF积攒的风险准备金中拿出1 200万马克，迅速启动合成氨建厂计划。[12]112-113
为兴建合成氨工厂，1911年夏，BASF决定买下位于其路德维希港工厂北边的一块紧靠莱茵河的土地。几周后，奥堡(Oppau)镇就批准了该项土地转让协议，11月份又批准了有关该地块的开发计划。[12]113-116不过，12月4日，布伦克突然去世了。令博施感到意外的是，在没有布伦克督促的情况下，BASF董事会仍批准了合成氨工厂的建设资金需求。不仅如此，董事会还决定将原定建厂规模再扩大一倍，并正式任命博施为BASF总裁，全权组织实施该项建厂计划。[12]120
对原定计划进行修订之后，BASF于1912年5月开始动工兴建合成氨工厂。尽管博施此前组织研制的合成氨中试装置已能正常运行，但其日产量不过才2吨多一点。而BASF计划兴建的是一个年氮气使用量就达到6千吨的大型合成氨工厂。[12]126建设这样一个史上未曾有过的大型高压化学工厂，等待博施解决的技术和管理难题多得令人难以想象。
尽管困难重重，BASF的第一座合成氨工厂还是于1913年9月在奥堡建成投产了。从开工到竣工，一共只花了16个月。在这座现代化的工厂里，既有火车头大小的压缩机、高达6米的钢制合成反应塔，又有最新型的热交换器、高速作动的电磁阀；不仅有触媒和氮气、氢气生产车间、大型修理厂，而且还有发电厂和给排水设施，以及运输煤炭和氮肥用的专用铁路站。尽管工厂建成投产初期，仍会不时地出现一些故障，但至第二年春季日产氮肥量就攀升到100吨。[2]129-130博施的执行力深深地折服了BASF的董事们。1914年4月，不到40岁的博施就被推举为BASF的董事长。
BASF合成氨工厂建成投产前，由于氨的产量低且价格昂贵，故氨多被用做冷却剂，很少被用做化肥的。合成氨工厂建成投产后，氨的产量急速攀升，于是就有必要开拓农村市场，直面与智利硝石的竞争问题了。欲占领农村市场，首先得把氨转换成中性的、无刺激性气味且易播散的化学肥料。否则，很难取代智利硝石。对BASF来讲，最简单的办法就是把氨转化成硫酸铵。但是，德国农民用惯了硝酸盐类肥料，不怎么喜欢用硫酸铵。这样一来，如何将氨转化成硝酸，然后再进一步转化成硝酸盐类肥料，便成了摆在博施面前的一个重要课题。当然，哈伯对这个课题也同样深感兴趣，因为BASF的氨销售量越大，他的提成也就越多。[12]141-142
当时，使用接触法将氨转化成硝酸必须使用铂做触媒，因使用这种方法生产硝酸的成本太大，故博施指示米塔斯充分借鉴开发合成氨触媒时所习得的经验，力争找到一种可替代铂的新型触媒。1914年3月，米塔斯等人终于开发出了一种不含铂的廉价高效触媒。[12]142-143不过，没过多久就爆发了第一次世界大战。因智利硝石多被军方拿去生产炸药了，故德国的肥料供应出现了短缺。在这种情况下，BASF已无必要投资兴建新车间，使用新开发的触媒特地把氨转化成硝酸，然后再生产硝酸盐类肥料了。
为了切实提高德国农作物的产量，引导农民科学地使用化学肥料，在博施的推动下，BASF合成氨工厂于1914年初专门成立了一个农业研究所。[12]145该研究所紧挨着BASF公司总部，博施给他们下达的主要任务是，设法弄清各种含氮化肥的实际功效和最优使用方法。农业研究所对植物、土壤和化肥三者之间的关系进行深入研究之后获得了很多有趣的结论。譬如说，含氯肥料会对烟叶的燃烧性产生负面影响；含有硝酸的肥料虽然会促进烟草的成长，但也会提高烟叶中的蛋白质含量，从而使烟叶的保鲜问题变得更为复杂。然而，使用硫酸铵却不会产生这些问题。使用尿素则会产生正面影响。[12]148-149BASF对各种氮料的功效进行测试，并非是出于推销自家产品的需要，而是为了更好地改进自己的产品，切实解决德国农业生产中遇到的问题。为了指导农民科学施肥，BASF甚至还设立了农业技术推广站。在专业技术人员的推广普及下，德国的一些农民很快就掌握了硫酸铵等含氮化肥的使用诀窍，并从中尝到了甜头。
随着硫酸铵销量的增加，BASF合成氨工厂对硫酸的需求越来越大。当时，BASF生产硫酸时使用的是黄铁矿。由于黄铁矿的需求量太大，BASF不得不从国外大量进口，以致硫酸和硫酸铵的生产成本居高不下。是故，BASF决策层很早就开始思考如何改进硫酸生产工艺，提高硫酸铵的价格竞争力。尽管德国的黄铁矿资源不足，但其煤炭资源和石膏资源非常丰富。BASF生产氢气时采用的就是用水蒸气与灼热的煤炭发生反应的方法。在此过程中，BASF还获得了大量的二氧化碳。博施当时在想，可否使用主要成分为硫酸钙的石膏生产硫酸铵？经过一番探索，BASF的科研人员终于开发出了用二氧化碳、氨与石膏反应生产硫酸铵的新方法。此反应生成了两种物质：一是硫酸铵；二是碳酸钙，即碳酸石灰，它也是一种畅销品，可用于改良酸性土壤。不过，在如何低成本高效率地分离这两种生成物质一事上，科研人员遇到了不少麻烦。最后，根据博施的提议，通过改进美国人淘金时使用的浸泡吸引过滤装置才解决了这一难题。[12]153-154至此，BASF大批量生产氨以及硫酸铵时使用的原材料：空气、水、煤炭和石膏都可以从德国本土廉价取得了。
BASF通过降低生产成本打开硫酸铵的市场之后，接下来遇到的问题就是，如何进一步提高氨的产能？实际上，自合成氨工厂建成投产之后，BASF就从未停止过对合成氨生产装置的改良。这对提高氨的产量无疑是有益的，但效果有限。除非对生产装置中的关键设备——合成反应容器进行彻底的改造，否则合成氨的产能很难再上一个台阶。合成反应容器的改造升级涉及方方面面，需要投入不少资金。在项目投资收回预期不明朗的情况下，BASF董事会不可能再为其大幅追加投资。[2]136意想不到的是，军方的炸药需求对BASF合成氨工厂的扩建产生了决定性的影响。
1914年8月第一次世界大战爆发。德国对中立国比利时不宣而战，然后迅速穿越比利时向法国发起了进攻。德军原本想以速战速决的方式击败法国，但没想到在巴黎近郊遇到了英法联军的顽强抵抗，以致战事陷入胶着状态。战前，军方以为很快就可结束战事，故只准备了半年的弹药。[2]136当军方意识到战争有可能会僵持一段时间之后，便开始思考军火的稳定供应问题。尽管战争初期，德国海军尚能维护智利硝石运输线的安全，但英法海军完全具备切断这条运输线的能力。一旦智利硝石的运输线被切断，德国的智利硝石存量，加上占领地的智利硝石存量并不足以满足军方对弹药生产的需求。因此，有必要未雨绸缪，及时动员工业界帮助解决生产弹药所需原料不足难题。
战前，在银行界的大力支持下，石灰氮法固氮技术在德国也获得了比较快的发展。由于石灰氮很容易转化成生产炸药所需的硝酸，故在一些人士的游说下，德国政府决定资助相关企业大规模扩建石灰氮工厂。这显然刺痛了哈伯和博施。问题是，BASF虽然开发出了将氨转化成硝酸的廉价高效触媒，但这项技术并没有经历过中试的考验，至于相关生产设备的研制更是无从谈起。即便如此，哈伯和博施也没有理由坐视石灰氮法固氮技术的崛起而不采取任何行动。经过一番艰苦探索之后，BASF发现，虽然将氨直接转化成硝酸比较困难，但可以比较方便地将其转化成和智利硝石成分相同的物质——硝酸钠。这意味着只要政府肯投资，BASF即可在短期内大量生产“智利硝石”。[2]139
在博施看来，获得政府投资，兴建用氨生产硝酸钠的工厂至关重要。因为只有这样才能确保BASF在固氮领域的竞争优势，否则日后被生产石灰氮的公司超越并非没有可能。再者，当BASF可以批量生产与智利硝石成分相同的硝酸钠之后，将来就不用担心智利硝石会卷土重来，对公司的合成氨生产构成威胁。为此，博施主动游说德国政府，强调硝酸钠可以很方便地用来生产炸药，更重要的是用硝酸钠生产炸药的费用远比用石灰氮生产炸药便宜。最终帮助博施说服政府的乃当时兼任德国政府科学顾问的哈伯。在哈伯的推动下，博施和德国政府签订了一项协议，承诺半年内完成奥堡合成氨工厂的改造，自1915年5月起每月生产5千吨硝酸钠。德国政府表示将为BASF的这项计划提供6百万马克的补助金。[2]140
1914年10月，BASF开始动工兴建硝酸钠生产车间，同时对合成氨生产装置进行了大规模的改造。当时，德国的钢铁企业只能铸造长度为6米、直径为1米的钢管。为扩大合成氨的反应容积，提高生产效率，博施率领人马快速攻克了将两个6米长的钢管串成一个高压反应塔的难题。半年后，BASF按照规定，开始批量生产“智利硝石”。实践表明，用合成氨法固氮、生产炸药的成本确实要比用石灰氮法低很多。这样一来，德国政府就失去了继续给生产石灰氮的厂家提供大量资金补助的理由。[2]142-143
BASF开始批量生产“智利硝石”的当月，就招致法国空军的大规模轰炸。尽管德国军方此后加强了对奥堡合成氨工厂的防卫，但是很难有效阻止法国飞机的突袭，因为奥堡离法国太近了。法国飞机每次来袭时，奥堡合成氨工厂都不得不关闭高压生产设备。而这些设备关闭后再重新启动非常费时，加上抢修被法国飞机炸毁的设备多少也需要一些时间，以致奥堡合成氨工厂的产能受到了很大的限制。再者，尽管BASF此前对合成氨生产装置进行了扩建，但因军方对硝酸钠的需求量太大，BASF只得把本应该拿出生产硫酸铵的氨拿来生产硝酸钠，以致德国肥料供应严重短缺，农民意见很大。为此，1915年9月，德国政府建议BASF在法国飞机炸不到的德国中部地区建一座比现在的合成氨工厂还要大一倍的第二合成氨工厂。[2]143-145
以博施为首的BASF高层认为，兴建第二合成氨工厂虽然可以给公司带来很多近期利益，但也存在不少风险，主要是战后军方的硝酸钠需求急剧下降之后，氨的供给极有可能出现过剩。不过，博施等人后来意识到，氨价下跌也并非全是坏事，因为那样一来BASF可以更方便地把进口的智利硝石和国产的石灰氮逐出市场；再者，BASF掌控着所有与合成氨生产相关的知识产权，必要时可以利用低成本优势去抢占国际市场。因此，BASF与政府交涉多个回合之后谈定，兴建第二合成氨工厂所需的巨额投资由政府全数贷给BASF，工厂建成投产后BASF再用利润偿还。[2]143-144
1916年4月底，BASF与德国政府签署了在离莱比锡不远的洛伊纳(Leuna)镇再建一座合成氨工厂的协议。尽管战时需要克服的困难有很多，BASF的建设团队在博施等人的带领下，还是于1917年4月底让洛伊纳工厂的大型合成反应塔实现了点火。该厂建成当年产量就冲到3万6千吨，战争结束时的年产量急速攀升至16万吨。[2]166-168
BASF洛伊纳合成氨工厂的建成标志着合成氨这个新兴产业已在德国崛起。
五 结论
以上，我们把德国合成氨的产业化进程粗略地划分成新产品概念的提出、实验室样机的研制、中间试验装置的开发、定型生产与推广应用四个阶段进行了考察，从中我们可以得出如下结论：
①对20世纪初期的德国来讲，合成氨工业乃是典型的战略性新兴产业。
②合成氨法固氮原理的确立，主要是哈伯围绕社会需求持续开展实验研究的结果。
③合成氨的工业化生产，不仅得益于哈伯的实验室研究，更得益于博施主持的中试研究。
④合成氨快速实现产业化，与其投产后开展的下游产品技术创新的成功有着很大的关联。
⑤合成氨的产业化，是在德国教育改革取得进展、高端人才都能自行培养基础上实现的。
⑥德国的合成氨产业，是在工业基础和本土资源有比较优势的领域中发展起来的。