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Anorganische Chemie - Haber-Bosch-Verfahren, Ammoniaksynthese

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Anorganische Chemie

Haber-Bosch-Verfahren, Ammoniaksynthese

Als erstes Verfahren stellen wir Ihnen das Haber-Bosch-Verfahren vor. Es dient zur Herstellung von Ammoniak ($ NH_3 $).

Ammoniak
Ammoniak

Es ist besonders deshalb so relevant, da Ammoniak in beinahe 90 % aller Düngemittel enthalten ist. Die Wissenschaftler, die dieses Verfahren entwickelt haben, sind die beiden Namensgeber Fritz Haber (Chemiker) und Carl Bosch (Ingenieur). Zu Beginn des 19. Jahrhunderts entdeckten sie, dass sich aus Stickstoff $ N_2 $ und Wasserstoff $ H_2 $ Ammoniak herstellen lässt.
Zuvor musste Ammoniak aufwendig aus Vogelkot gewonnen werden, was eine großindustrielle Gewinnung unmöglich machte.

Die bereits bekannte Reaktionsgleichung ist:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Ammoniaksynthese: $ 3 H_2 + N_2 \leftrightarrow 2 NH_3 $  $ \DeltaH_R = - 92 \frac{kj}{mol} $

Die Hinreaktion zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass sie sehr exotherm abläuft und zu einer Volumenverringerung führt. Zusätzlich ist eine besonders hohe Aktivierungsenergie erforderlich. 

Neben der hohen Aktivierungsenergie sind weitere Reaktionsbedingungen erforderlich um eine optimale Ausbeute an Ammoniak zu erhalten: 

1. Reaktionstemperatur: $ T = 550° C = 823,15 K

2. Die Verwendung eines Katalysators

3. Stickstoff muss überschüssig in die Reaktion eingehen.

4. Reaktionsdruck: $ p = 150 - 250 bar.

Obwohl die hohe Reaktionstemperatur der Hinreaktion entgegenwirkt [exotherm], wird sie für den Einsatz des Katalysators erforderlich.

Ammoniakgewinnung im industriellen Maßstab

In der nachfolgenden Tabelle haben wir Ihnen die einzelnen Verfahrensschritte zur industriellen Ammoniakgewinnung aufgeführt:

VerfahrensschrittVerwendete Technologie

Verdichtung:

Gasgemisch wird unter Druckeinwirkung komprimiert und gleichzeitig konzentriert

Kompressor

Reinigung: 

Gasgemisch wird gereinigt indem beispielsweise Schwefelverbindungen auf dem Gemisch abgeschieden werden. 

Gasreinigungssystem,

Purifier-System

Hauptreaktion:

Reaktion des Gasgemisches erfolgt bei der oben genannten Temperatur in einem druckfesten Zylinder. Währendessen strömt das Gasgemisch entlang eines Katalysators auf  Basis von Eisenoxid und Aluminiumoxid. Letztlich erhält man Ammoniakgas mit einer Umsetzungsrate von ca. 15. %. 

Kontaktofen

Kühlvorgang:

Das Ammoniakgas ist noch sehr heiß und muss anschließend gekühlt werden. 

Kühler

Trennung und Rückführung:

Im letzten Verfahrensschritt wird das Produkt vom Edukt getrennt und das unverbrauchte Gas wird zurückgeführt

Abscheider