Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren)

Name: Hanka Kämpf

Klasse: 9b

Grundlagen

Für die Herstellung von Ammoniak sind die Ausgangsstoffe Wasserstoff, Stickstoff und ein Katalysator

erforderlich.

Reaktionsgleichung

N + 3H(2) > 2NH(3) Q= -92,4 kj

Die Einflussfaktoren bei der Ammoniaksynthese sind Temperatur, Druck und Katalysator. Um einen hohen

Anteil an Ammoniak herzustellen, ist es sinnvoll eine niedrige Temperatur zu verwenden, weil die

Ammoniaksynthese eine exotherme Reaktion ist und somit Energie abgegeben wird. Laut der

Reaktionsgleichung werden aus 4 Raumteilen 2 Raumteile, deshalb ist ein relativ hoher Druck sinnvoll. Auf

Grund von technischen und ökonomischen Bedingungen sind aber Temperaturen von 450...550°C und ein Druck

von 25...35MPa erforderlich. Diese Reaktionsbedingungen sind notwendig, da der Katalysator erst bei diesen

Temperaturen zu arbeiten beginnt. Desweiteren muss der Druck niedrig gehalten werden, da das Material einen

zu hohen Druck nicht standhalten würde.

Der erste Mann, dem es gelang durch direkte Vereinigung von Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak zu

gewinnen, war Fritz Haber im Jahre 1913. Er erkannte, dass es nur möglich sei, wenn man bestimmte

Katalysatoren aus Nickel, Eisen, Osmium, Uran verwende. Er selbst brauchte eine ganze Weile um alle

technischen Schwierigkeiten bei der Ammoniasynthese zu beseitigen. Die Synthese nach Haber konnte

allerdings nicht industriell genutzt werden. Der Chemiker Carl Bosch entwickelte in den dreißiger Jahren die

industrielle Produktion von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff, dabei ging er von der von seinem

Schwager entdeckten katalytischen Hochdrucksynthese aus. Die heute als Haber-Bosch-Verfahren bekannte

Methode ermöglichte es, enorme Mengen an Ammoniak aus billigen Rohstoffen herzustellen. Über 90% des

weltweiten Ammoniakbedarfs gewinnt man heute nach dem Haber-Bosch-Verfahren. Das Haber-Bosch-

Verfahren wird zur Herstellung von Explosivstoffen und Düngemitteln verwendet.

Technische Durchführung

Die Ausgangsstoffe für die Herstellung von Ammoniak sind Stickstoff und Wasserstoff. Der Stickstoff wird aus

der Luft nach dem Linde-Verfahren (Trennung durch unterschiedliche Siedetemperaturen) gewonnen. Der

Wasserstoff kann aus Erdgas, Erdöl oder Kohle hergestellt werden. Früher wurden Wasserstoff aus Kohle und

Stickstoff durch die Verbrennung von Kohle gewonnen. Das Synthesegas wird in Wasser im Waschturm

geleitet, dort werden die Gase gereinigt und Schwefeloxid und Kohlenstoffdioxid werden entfernt. Übrig bleibt

ein Synthesegemisch von Stickstoff und Wasserstoff, laut der Reaktionsgleichung befinden sie sich im

Verhältnis 1:3. Nun wird das kalte Synthesegas durch einen Kompressor mit einem Druck von 200-300 bar in

den Synthesereaktor gedrückt. Der Synthesereaktor besteht aus kohlenstoffarmen Stahl, doppelten Mantel und ist

innen durchlöchert. Diese Öffnungen dienen zur Entweichung von Wasserstoff. Der Katalysator, welcher aus

Eisen, Aluminiumoxid und Kaliumoxid besteht, ist ein Netzwerk aus Katalysatoren und besitzt eine breite

Oberfläche. Im Katalysator befinden sich Wärmeaustauscher, die dem Gasgemisch die bei der Bildung von

Ammoniak freigesetzte Wärme entziehen, denn die Temperaturerhöhung wirkt sich ungünstig auf die

Gleichgewichtslage aus. Anschließend strömt das heiße Gas, nun bestehend aus Ammoniak, Stickstoff und

Wasserstoff, in den Tiefkühler, wo eine Temperatur von ­33°C herrscht. Das Gas kühlt sich ab und Ammoniak

wird verflüssigt. Wasserstoff und Stickstoff bleiben gasförmig und werden über einen anderen Kompressor

wieder den Katalysator zugeführt, in dem die ­33°C kalten Gase zum Kühlen dienen. Das Reaktionsprodukt

Ammoniak läuft in einen Abscheider und wird in Tanks aufgefangen.

Technische Arbeitsweisen

Aus ökonomischen Gründen wird bei der Herstellung von Ammoniak eine kontinuierliche Arbeitsweise

angewendet d.h. dass die Ammoniakbildung ständig ­ ohne aufzuhören (abgesehen von Wartungen) ­ ablaufen

kann. Außerdem findet ein Wärmeaustausch statt, wenn die gekühlten Stoffe Stickstoff und Wasserstoff vom

Tiefkühler über den Kompressor erneut in den Reaktor gedrückt werden und so die dortige Temperatur konstant

halten. Die Synthese findet nach dem Kreislaufprinzip statt, d.h. dass der nicht umgesetzte Stick- und

Wasserstoff wieder in den Prozess zurückgeleitet werden. Im Waschturm gibt es das Gegenstromprinzip.

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