Technische Ammoniaksynthese

Technische Ammoniaksynthese

Grundlagen

• Die technische Ammoniaksynthese basiert auf dem Haber-Bosch-Verfahren.
• Ausgangsstoffe sind Stickstoff und Wasserstoff:
  • Stickstoff (N_2) aus der Luft.
  • Wasserstoff (H_2) aus Erdgas.
• Reaktionsgleichung: N2 + 3H2 \rightleftharpoons 2NH_3
• Die Reaktion ist umkehrbar, d.h., Ammoniak kann sich in Stickstoff und Wasserstoff zersetzen.
• Volumenverhältnisse:
  • 1 Volumenteil Stickstoff + 3 Volumenteile Wasserstoff $\rightarrow$ 2 Volumenteile Ammoniak
  • 4 Volumenteile $\rightarrow$ 2 Volumenteile (Volumenverkleinerung)
• Die Hinreaktion (Ammoniakbildung) verläuft unter Volumenverkleinerung und ist exotherm.
• Die Rückreaktion (Ammoniakzerfall) verläuft unter Volumenvergrößerung und ist endotherm.
• Die Ammoniaksynthese ist von Druck und Temperatur abhängig.

Theoretisch günstige Bedingungen

• Niedrige Temperatur (ca. 200°C)
• Hoher Druck (ca. 100 MPa)
• Diese Bedingungen sind in der Praxis nicht realisierbar.

Praktische Bedingungen

• Temperatur: 400-500°C (da der Katalysator bei diesen Temperaturen wirksam wird).
• Druck: ca. 30 MPa (da Apparate keine höheren Drücke aushalten).

Technische Umsetzung - Ablauf im Kontaktrohr

• Kaltes Synthesegas (N2 und H2) strömt von oben mit 30 MPa in den Kontaktofen und gelangt nach unten in den Wärmeaustauscher.
• Dort wird es im Gegenstrom erwärmt.
• Das Gas strömt durch Katalysatorschichten, wo die chemische Reaktion stattfindet.
• Freiwerdende Wärme wird an kaltes Synthesegas abgegeben.
• Das Reaktionsgemisch wird abgekühlt, Ammoniak kondensiert und wird entfernt.
• Nicht umgesetztes N2 und H2 werden mit frischem Synthesegas vermischt und im Kreislaufprinzip wieder zugeführt.

Vorkommen von Ammoniak

• Abbau stickstoffhaltiger tierischer Stoffe
• Eiweiße und Harnstoff
• Aaskäfer sondern 4,5%ige wässrige Lösung von Ammoniak zur Verteidigung ab.

Eigenschaften von Ammoniak

• farblos
• stechend riechend.
• giftiges Gas (Reizwirkung)
• bei 20°C durch Druck von 800-900 kPa verflüssigt werden.
• sehr gut in Wasser löslich.
• Siedepunkt: -33,5°C
• brennbar (gelbe/grüne Flamme)
• färbt sich bei Unifiest blau / reagiert alkalisch

Verwendung von Ammoniak

• Kühlmittel
• Düngemittel
• Haushaltsreinigern
• im Fensterputzmittel
• Ausgangsstoff für die Herstellung von Arzneimitteln, Kunststoffen, Chemiefasern, Salpetersäure, Farbstoffen, Lacken und Sprengstoffen

Aufbau eines Ammoniakmoleküls

• Summenformel: NH_3
• Strukturformel: H-N-H
  |
  H
• Ein Ammoniakmolekül besteht aus 1 Stickstoffatom und 3 Wasserstoffatomen, die durch gemeinsame Elektronenpaarbindungen miteinander verbunden sind.

Technische Umsetzung - Ablauf im Kontaktofen (detailliert)

1. Kaltes Synthesegas (N2 + H2) strömt von oben mit 30 MPa in den Kontaktofen und gelangt nach unten in den Wärmeaustauscher.
2. Dort wird es im Gegenstrom erwärmt.
3. Das Gas strömt durch Katalysatorschichten, wo die chemische Reaktion stattfindet.
4. Die freiwerdende Wärme wird an das kalte Synthesegas abgegeben.
5. Das Reaktionsgemisch wird abgekühlt, Ammoniak kondensiert und wird entfernt.
6. Nicht umgesetztes N2 und H2 werden mit frischem Synthesegas vermischt und im Kreislaufprinzip wieder zugeführt.

Arbeitsprinzipien

• Kreislaufprinzip
• Wärmeaustausch
• Gegenstromprinzip
• Kontinuierliche Arbeitsweise

Kontaktofen

• 40-60 m hoch
• Durchmesser beträgt 2 m
• Zylindrische Form
• Leistung: ca. 1700 MPa

Reaktionsbedingungen

• Stickstoff und Wasserstoff sind die Ausgangsstoffe.
• Für einen optimalen Reaktionsverlauf muss im Synthesegas folgendes Volumenverhältnis vorliegen:
  • V{Stickstoff} : V{Wasserstoff} = 1:3
• Theoretisch optimale Reaktionsbedingungen sind niedrige Temperatur und hoher Druck, doch bei der technischen Durchführung reagieren bei niedrigen Temperaturen Stickstoff und Wasserstoff kaum, sodass praktisch keine Reaktion abläuft.
• Um eine wirtschaftliche Herstellung dennoch zu ermöglichen, muss ein Katalysator eingesetzt werden. Dieser benötigt aber eine hohe Arbeitstemperatur zwischen 400 und 500°C. Der Druck ist in der Technik hoch, etwa 30 MPa. Als technische Katalysatoren dienen insbesondere mehrfach aktivierte Eisenkatalysatoren.

Technische Durchführung und Arbeitsweise

• Die Reaktion wird in bis zu 60 m hohen Synthesetürmen, den Kontakten, durchgeführt.
• Von oben strömt kaltes Synthesegas mit einem Druck von 30 MPa in die Türme und gelangt nach unten in den Wärmeaustauscher. Dort wird das kalte Gas im Gegenstrom vorgewärmt und strömt nun durch die Katalysatorschichten, die Kontakte. In den Kontakten erfolgt die Umsetzung von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. Das entstandene Gasgemisch aus etwa 17% Ammoniak und 83% Wasserstoff und Stickstoff ist wegen der exothermen Reaktion sehr heiß. Es gibt einen Teil seiner Wärme in den Wärmetauscher an das entgegenströmende kalte Synthesegas ab.
• Das den Kontaktofen verlassende Reaktionsgemisch wird abgekühlt. Dabei kondensiert Ammoniak, sodass es im Abscheider als flüssiges Ammoniak aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden kann.
• Stickstoff und Wasserstoff können mit frischem Synthesegas im Kreislauf dem Kontaktofen erneut zugeführt werden. Dadurch werden praktisch die gesamten Ausgangsstoffe ohne Verlust in das Reaktionsprodukt Ammoniak umgesetzt.
• Die Ammoniaksynthese findet im Kontaktofen stetig und ohne Unterbrechung statt. Dieser Produktionsprozess wird als kontinuierliche Arbeitsweise bezeichnet.

Check Aufgaben

1. Vergleiche die theoretisch optimalen Bedingungen mit den Bedingungen in der Technik. Begründe auftretende Unterschiede.
2. Erkunde die Geschichte und geografische Lage der industriellen Ammoniaksynthese in Sachsen-Anhalt sowie deren gegenwärtige Bedeutung.
3. Die Produktion an Ammoniak nimmt weltweit ständig zu. Begründe diesen Sachverhalt.
4. Interpretiere die Daten in Tabelle 1.
5. Informiere dich über Leben und Werk von Fritz Haber.