Tshozoです。前回のつづき早速いきます。少し調査量が増えたためペースを見誤っていますが通常運転です。
(3)高圧リアクターの実現
前回記載したティッセンとクルップから供給された(大砲の砲身にも使われていた)当時最高レベルの超高強度・超高靱性の鉄製円筒を利用した円筒型高圧リアクター、これがHaber-Bosch法でBoschが直接的に成し遂げた最大の成果です。
これについてはあちこちの文献や「大気の錬金術」にも(Holdermann本のほぼ丸コピレベルで)詳細が書かれているので子細を採り上げるのはここではヤメておき、技術的ポイントとあまりどこの文書にも記載されていない重要と思われた点を書いていきます。あらすじを見ていくと、①②③④が前半、⑤⑥⑦⑧⑨が後半になります。
①開発開始から僅か半年で鉄触媒を見極めたのに気をよくした経営陣からの指示で開発人員が倍に膨れ上がった
②塩素合成プラントからアンモニア日産換算0.4トン分の水素を引っ張ってきて、1kgの磁鉄鉱触媒を入れた壁厚み30mmの大型高強度炭素鋼製高圧反応管でとっとと大量合成しようとした
③稼働後3日で壁面にヒビが入って破裂
④高圧部で水素が炭素鋼を還元して脆くしてしまっていると判明、開発頓挫しかかる
⑤加熱を高圧リアクター外側から熱したりとか高圧部の内張り用金属を銅とか銀とかにしたり色々やる
⑥遅かれ早かれ全部アウトになるのでダメ、ヤケ酒で憂さ晴らし
⑦内張りに軟鉄を使うことを思いつくが、やっぱり時間の問題でダメになることが判明、もう一回ヤケ酒
⑧フツカヨイの朝、追加の解決策を思いついてすぐ特許書いてブラッシュアップさせる
⑨1年くらい動かしても大丈夫なリアクターを完成させる！
となります。ポイントになったのはもちろん③⑦⑧で、デカめのリアクターにすると高温高圧で高強度鋼内の炭素が水素還元されてCxHyとして金属から抜けることでその部分が脆くなり、高圧でリアクタ壁が拡張応力に耐えられなくなりヒビが入って最後には爆発してしまったわけです。④⑤⑥を経る中で一時期はBoschですら何度も「この問題は解決できないのではないか」(“…war selbst Bosch manchmal der Meinung, dass man es nicht bewaeltigen werde”)と考える程追い込まれていました。
ではどうしたのか？
ということで⑦と⑧の詳細。こういう時は気分転換、というわけではないでしょうがボーリング＆ビールで憂さ晴らししたある朝、⑤の銅とか銀を使っていた内壁のことに頭が行きます。そこで考えたのが他の金属ではなく「脱炭しきった軟鉄を内張りに使ったらどうなのか？」という革新的かつ安いアイデア。内張りに炭素を含まない鉄であれば、水素も反応することなく通過するだけ。軟鉄に溶け込んだ水素はもちろん外壁に到達して外壁に影響は及ぼしますが実質分圧が下がっているので大丈夫ではないか？ ここまでが⑦です。
しかし軟鉄は柔らかく強度に寄与しないし、軟鉄を通った水素は影響力は落ちていても外壁の高強度部位に到達してしまうので最終的には亀裂に発展してしまいかねない。ということで更にカジノとビールで憂さ晴らしをした冬のある朝、追加の解決策である「抜けてきた水素を効率的に外壁の外に抜けるように工夫を凝らせば問題はなくなる」という考えに至ります。それが彼が考えた最終的な解決策でした。Boschがこの案を完成させた瞬間、1911年 2月のある朝の日が人類の歴史を変えたと言っても過言では無いと思います(筆者は本当にそう信じています)。ここが⑧⑨のところですね。
そうして出来上がった構造[文献1] 軟鉄はLiner部に使われている
何年振りかに改めて見たが美しく、シンプルなこの上ない設計だと感じます
実際の円筒の断面にある、水素を外に逃がす”Boschloch” 結構攻めた部分まで穴を空けてる
(Mersburg のドイツ化学博物館より引用 リンク)
内張りは焼嵌めではめ込まれていたようだが
境界面が無い所を見るとはめ込んだ後で再度焼入れしていると推定
ということでこのアイデアに至るまでにやっていたことは無駄だったわけでは決してなく、円筒内壁に水素除けのつもりで銅とか銀とかの内張りを使うという苦し紛れの手を打っていなければ、軟鉄内張りというアイデアは産まれてこなかったでしょうし、鉄をよく理解していたBoschでなければきっと穴を空けても強度がそうは低下しないという視点には至らなかったと思います。奇跡と努力、努力と奇跡、これですな結局！ 努力が奇跡を生み、奇跡が努力を生んだのでしょう。
蛇足ですが彼らも無為無策でこの大型リアクターを作ったわけではなく、前回書いたSternが作った触媒探索用の小さな反応管では全く問題は起きていなかったという理由があったからなのです。
前回の記事から再掲[文献1] これでは起きなかったのに・・・
この理由としては主に「円筒径が小さい場合には内面積が小さいため円筒にかかる総推力が小さく高温になっても円筒が変形する量が少なかった、このために若干脆くなっていても大丈夫だった」ということが挙げられます。しかし、だからと言って何百時間も平気で動いていたというのは少し疑問が残る。以下は筆者の推定ですが、もしかしたら内部のごく表面だけがうまく脱炭して上記のように「軟鉄化」していたのかもしれません。後出しジャンケン的な考え方ですが、水素が外周部に行っても外気温で冷やされていますから反応は起きにくく外に漏れていくだけですし、円筒壁が実質薄いから効率的に水素は抜けていきますし、実は結構理想的なリアクター形態になっていたんではなかろうかと思っています。もしかしたらBoschもこのことに思い至ったんではないかと妄想するとちょっと楽しいですね。まぁ、図を見る限り内径が約8cm程度ですからちょっとした内壁表面の変化はよほど注意していないと見逃してしまいますし、第一触媒の探索をやっていたわけで、円筒内部の方に気を配るまでには行っていなかったのでしょう。
こうして開発の大きなコンセプトであった「高温高圧水素とのメカ的な戦い」に対しBoschのこの解決案はシンプルで、安く、しかも汎用性があるものであり、まさに窒素化学へのイノベーションの大黒柱となるものでした。イノベーションには(複雑な数学などが根本にあるケースもありますが)製造業・化学工業においてにはやはり「安く汎用化できる」ことが発明のどこかで実現または体現されることが根幹にあるわけですが、正にそれだったわけです。
なおこのリアクターの開発についてBoschは1921年のシュツットガルトでの講演でこのように述べています;
“Wir konnen unbedenklich das Schaffen des Industriellen neben das rein kuenstlerische Schaffen stellen. Sowenig die Kuenstler letzten Endes Herr seiner Gedanken und Einfaelle ist, sowenig es ist der Techiniker. Es ist falsch, anzunehmen, alles sei erreichnet, alles sei erkluegelt. Es kommt ueber ihn im geeigneten Moment wie ueber den Kuenstler in der Schaffenslaune.”
(大意)：「産業的な創発は、藝術的なそれとよく似ており、藝術家がそのコンセプトや発想を全て作れるわけではないように技術者も全部自分で思いつけるものではない。全部実現できるとか、全部案を捻りだせるとかいうのは大間違いであり、藝術家の発想のようにある然るべき時に『降りて』くるものなのである」
色々な科学技術の方針を決めている方々はアタマがいいからだいたい何でも見通せるでしょうし、アタマの回転が速いから時流にのってうまいこと色々決めていけるのかもしれません。あるいは時間が無いから計画経済的にテキトーにやってるのかもしれません。しかしながらこの言葉は、史上最大の化学者のひとりであるBoschを以ってしても創発やイノベーションのきっかけを見通せるものはなにもないということを語っているわけです。その意味でもこの言葉は創造、創発といったような不確定であるものにどう対峙するかを改めて見直すための良い指針になるのではないでしょうか。
まぁ、そうは言ってもそのために最低限必要なことをBoschは身を以って示してくれていて、それはとりもなおさず「労働・娯楽・アルコール」であることは疑う余地は一切ありません。反論は許しません。
それでは今回はこんなところで。次回は最後に立ちはだかった水素製造の問題をどう解いたのかを書きます。
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【参考文献】
- “The development of the chemical high pressure method during the establishment of the new ammonia industry”, Nobel Prize Lecture, Carl Bosch, 1932, リンク
