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Ammoniak und seine Herstellung - das Haber-Bosch-Verfahren:

Allgemeines über Ammoniak und seine Eigenschaften

Der Stoff Ammoniak (Formel: NH3) ist bei Raumtemperatur ein farbloses, stechend riechendes, giftiges Gas. Wie aus der Formel ersichtlich, setzt sich Ammoniak aus einem Teil Stickstoff (N) und drei Teilen Wasserstoff (H) zusammen.  Auf natürlichem Weg entsteht Ammoniak bei der Eiweißzersetzung und kommt in vulkanischen Ausbrüchen vor.

Ammoniak ist ein bedeutender Ausgangsstoff für viele wichtige, alltägliche Produkte. So ist beispielsweise Ammoniak die Basis für Amine und Harnstoffe und ist daher Basis für Farbstoffe bzw. Kunststoffe und Düngemittel. Die Bedeutung von Ammoniak zeigt sich dadurch, dass etwa 80 % des industriell hergestellten Ammoniaks für die Herstellung von verschiedenen Düngemittel genutzt wird.

Ammoniak


Die Herstellung von Ammoniak - das Haber-Bosch-Verfahren

Ammoniak kann aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff hergestellt werden, dabei liegt eine Gleichgewichtsreaktion zwischen den Elementen Wasserstoff bzw. Stickstoff und dem Reaktionsprodukt Ammoniak vor.

Die Reaktion N2 + 3H2  => 2NH3 ist exotherm, daher kann

nach dem Prinzip von Le Chatelier die Ausbeute an Ammoniak gesteuert werden (da es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt). Gemäß dem Prinzip von Le Chatelier müsste die Ausbeute an Ammoniak maximal sein, wenn die Temperatur gering und der Druck hoch ist. Da moderne Verfahren mit einer Temperatur von ca. 450°C und einem Druck von ca. 230 bis 330 bar arbeiten, zeigt sich, dass "theoretische" Ansätze wie das Prinzip von Le Chatelier nicht immer vollständig anwendbar ist.

Exkurs: Prinzip von Le Chatelier

Nach dem Prinzip von Le Chatelier kann jede Gleichgewichtsreaktion durch die Steuerung der Reaktionstemperatur beeinflusst werden:

  • eine Temperaturerhöhung begünstigt im Allgemeinen die endotherme Reaktion. Da bei jeder endotherm verlaufenden Reaktion Wärme(energie) benötigt bzw. verbraucht wird, weicht das Reaktionssystem dem äußeren Zwang (Temperaturerhöhung) aus, bis wieder ein Gleichgewichtszustand erreicht ist 
  • eine Temperaturerniedrigung begünstigt im Allgemeinen die exotherme Reaktion.Da bei jeder exotherm verlaufenden Reaktion wird Wärme(energie) frei wird, weicht das Reaktionssystem dem äußeren Zwang (Temperaturerniedrigung), bis wieder ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Ähnliches gilt für den Druck als Reaktionsbedingung, auch hierdurch lässt sich das Gleichgewicht einer Reaktion beeinflussen.

  • eine Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite der Stoffe mit dem geringeren Volumen.
  • eine Druckminderung verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite der Stoffe mit dem größeren Volumen

Die Reaktionsbedingungen zur Herstellung von Ammoniak

Die Gleichgewichtsreaktion zwischen den Elementen und dem Ammoniak ist eine exotherme Reaktion, daher liegt das Gleichgewicht bei niedrigen Temperaturen auf der Seite des Ammoniaks und bei hohen Temperaturen auf der Seite von Stickstoff und Wasserstoff. Dies bedeutet,  eine niedrige Temperatur begünstigt die Bildung von Ammoniak, eine hohe Temperatur den Zerfall des Ammoniaks.

Da bei der Ammoniaksynthese  aus 1 mol Stickstoff und 3 mol Wasserstoff insgesamt 2 mol Ammoniak gebildet werden, begünstigt ein hoher Druck die Bildung des Ammoniaks, während niedrige Drücke den Zerfall von Ammoniak begünstigen.

Würde man nun die Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak unter diesen Bedingungen durchführen (niedrige Temperatur und hoher Druck), so wäre die Reaktionsgeschwindigkeit äußerst gering. Dies liegt vor allem an dem Reaktionsträgen Stickstoff.


Das Haber-Bosch-Verfahren

Aus diesem Grund forschten viele Unternehmen nach wirtschaftlich sinnvollen Reaktionsbedingungen, um eine hohe Ausbeute an Ammoniak zu erreichen. So auch Fritz Haber und Carl Bosch, die gemeinsam das Haber-Bosch-Verfahren entwickelten. Das Haber-Bosch-Verfahren ist seitdem das wichtigste großtechnisches Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff.

Beim Haber-Bosch-Verfahren wird ein Druck von 250 bar bis 350 bar als eine Reaktionsbedingung gewählt (würde man einen höheren Druck wählen, benötigt man spezielle Vorrichtungen, was erhebliche Kosten verursachen würden). Folgende Reaktionsbedingungen liegen beim Haber-Bosch-Verfahren vor:

  • Die Reaktionstemperatur beträgt zwischen 500 und 550°C. Ein höhere Temperatur würde die endotherme Reaktion, also den Zerfall des Ammoniaks begünstigen, sowie die Wirksamkeit des Katalysators beeinträchtigen.
  • Das Stoffmengenverhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff beträgt 1 : 3
  • Nach dem Prinzip von Le Chatelier wird die Ausbeute an Ammoniak optimiert, indem das Ammoniak laufend aus Reaktionsprozess entfernt wird. Dabei werden auch in einem kontinuierlichen Prozess die Ausgangsstoffe Wasserstoff und Stickstoff zugeführt, was den Druck im Reaktionssystem hoch hält.
  • Gemäß dem Prinzip von Le Chatelier erhöht sich die Ausbeute bei hohem Druck. Hohe Temperaturen verringern aber jedoch wieder die Ausbeute. Daher hat man zusätzlichen einen Katalysator (einen Eisen(II/III)-oxid-Katalysator) im Haber-Bosch-Verfahren eingesetzt. Erst wenn alle vier Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, Stoffmengenverhältnis und Katalysator) optimal aufeinander abgestimmt sind, wird eine maximale Ausbeute an Ammoniak erreicht.

Verlauf der Ammoniaksynthese

  • Im ersten Schritt wird mit Hilfe eines Kompressors das Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff auf den notwendigen Druck komprimiert.
  • Im zweiten Schritt wird das Gasgemisch von eventuell vorhandenen Verunreinigungen gereinigt. Dieser Schritt findet in einem sogenannten Gasreiniger statt
  • Die nächste Phase des Haber-Bosch-Prozesses findet in einem sogenannten Kontaktofen statt. Dabei wird in einem Reaktionsrohr das Gasgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff auf 500 bis 550°C erhitzt. Nun wird das (durch Druck komprimierte) Gasgemisch mit Hilfe eines Kompressors an einem Katalysator aus Eisenoxid und Aluminiumoxid vorbeigeleitet. Dabei reagiert das Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. Trotz dieser optimierten Reaktionsbedingungen beträgt die Ausbeute an Ammoniak nur 15%
  • Anschließend wird das heiße Ammoniak in einem Kühler abgekühlt und im einem anschließenden Abscheider von den nicht umgesetzten Ausgangsstoffen (Stickstoff und Wasserstoff) abgetrennt.Das abgetrennte Gasgemisch Stickstoff und Sauerstoff wird nun wieder dem Haber-Boschverfahren zugeführt.

 
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