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Lexikon: Haber-Bosch-Verfahren

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Erforderlichkeit des Verfahrens

Mit dem Bevölkerungswachstum Ende des 19. Jahrhunderts stieg der Bedarf nah Düngemittel und damit nach Ammoniak stark an. Um es günstig herzustellen, sollte der Luftstickstoff mit Wasserstoff zur Synthese gebracht werden:

Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff
                zu Ammoniak

Historische Entwicklung

Erst 1909 gelang es Fritz Haber, Ammoniak mit einer ausreichend hohen Ausbeute herzustellen. Carl Bosch entwickelte – innerhalb weniger Jahre – die Apparaturen, die dem großen Druck, der bei der Produktion auftritt, standhalten konnte. Man spricht aufgrund dieser Leistungen vom Haber-Bosch-Verfahren. 1911 fand schließlich Alwin Mittasch nach zahlreichen Versuchen einen geeigneten (Eisen-Misch)Katalysator für die Reaktion. Heutzutage wird ein ähnlicher Katalysator verwendet.


Chemische Grundlagen

Gleichgewichtszustand und das Prinzip des kleinsten Zwanges

Die Synthese von Ammoniak ist exotherm (ΔEi = -92,4 kJ). Nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges folgt daraus, dass eine Verschiebung des Gleichgewichtszustandes auf die Seite des Produkts möglich ist, je niedriger die Temperatur und je höher der Druck ist.

Durch die Temperaturverringerung wird jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit stark verringert. Man wählt daher eine Temperatur von 450 °C und einen Druck von 30 MPa (300 bar). Bei der Produktion wird ein Katalysator verwendet und das Ammoniak wird ständig entfernt, um so das Gleichgewicht zu verschieben.

Erzeugung von Ammoniak

Zunächst werden bei circa 800 °C mithilfe eines Nickeloxid/Aluminiumoxid-Katalysators Methan und Wasserstoff zur Reaktion gebracht. Als Produkte erhält man Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff:

Reaktion von Methan
                und Wasserstoff zu Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff

Das verbleibende Methan reagiert mit der Luft, die wegen ihrer Zusammensetzung vereinfacht als Vereinfachte Formel zur
                Zusammensetzung der Luft (4 NO2 + O2) beschrieben werden kann. Dabei entstehen die gleichen Produkte; der Anteil des Stickstoffs bleibt unverändert. Diese Reaktion läuft unter einer Temperatur von 1000 °C und unter Hinzugabe eines Katalysators ab:

Reaktion von
                Methan und der Luft zu Stickstoff, Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff

Das Kohlenstoffmonooxid wird entfernt. Zeitgleich reagieren das Kohlenstoffmonooxid und Wasser zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff, das für das nötige Verhältnis von Stickstoff und Wasserstoff gebraucht wird. Dies geschieht bei 500 °C und unter Einsatz eines Kupferoxid/Zinkoxid-Katalysators:

Reaktion von
                Kohlenstoffmonooxid und Wasser zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff

Danach wird das Kohlenstoffdioxid entfernt. Das Gemisch enthält neben Ammoniak noch Methan und Argon. Zusammengefasst lautet der gesamte Prozess:

Gesamter Prozess des Haber-Bosch-Verfahrens

Großtechnische Herstellung

Die eigentliche Reakton von Stickstoff und Wasserstoff läuft bei 450 °C und 300 bar ab. Dabei wird eine Ausbeute von 18 % erreicht (theoretisch wären sogar 37 % möglich). Das Gemisch wird gekühlt, wodurch das Ammoniak kondensiert und es so abgeführt werden kann. Dadurch wird das Gleichgewicht nach rechts verschoben. Der Prozess wird durch die Rückführung der übrig bleibenden Gase wirtschaftlich.

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