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Ammoniaksynthese

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Rahel Räbiger

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Ausarbeitung zur Ammoniaksynthese

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Ammoniaksynthese auch: Haber-Bosch-Verfahren Definition: Die Ammoniaksynthese ist ein Verfahren zur synthetischen Herstellung von Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff. (= Gleichgewichtsreaktion) Geschichte: Die deutschen Chemiker Fritz Haber (1868–1934) und Carl Bosch (1874–1940) entwickelten das industrielle Verfahren der Ammoniaksynthese zwischen 1905 und 1913. Alwin Mittasch, ein deutscher Chemiker (1869-1953), verbesserte den dafür geeigneten Katalysator. Reaktionsgleichung: N₂ (g) + 3H₂(g) => 2 2NH3(g) Bedeutung: - größte Industriekatastrophe in der deutschen Geschichte: Die Explosion des Oppauer Ammoniakwerkes am 21. September 1921 - Vergabe des Nobelpreises für Chemie an Fritz Haber (1918) und Carl Bosch (1931) ( zum ersten mal für eine technische Umsetzung) - Verwendung als Düngemittel (Stickstoffdünger) → landwirtschaftliche Forschung - Steigerung der weltweiten landwirtschaftlichen Produktion durch vermehrten Einsatz von Dünger - Synthese von Ammoniumnitrat zur Herstellung von Sprengstoff (wertvoll für Krieg) - Herstellung von Salpetersäure - wichtiges Zwischenprodukt in der Chemie - Gewinnung von Wasserstoff und Stickstoff aus Erdgas durch Synthesegas-Erzeugung Prozess / Synthese: heterogene Katalyse aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff N2 meist aus Luftverflüssigungsanlagen H2 oft aus Synthesegas, welchen CO durch Konvertierung entzogen wurde CO(g) + H₂O(g) = CO₂ (g) + H₂(g) Methanisierung: Entfernung von CO und CO2 COrg) + 3H₂=CH₂(g) + H₂Orgy → Die Bildung des Ammoniaks verläuft exotherm (AHR < 0) und unter Volumenabnahme (bedingt geringe Ausbeute) Katalysator: Eisen, welches mit Alkali- und Aluminiumhydroxid aktiviert wurde 1. Komprimierung des Gasgemisches aus N2 und H2 in einem (Turbo-) Kompressor 2. Bereinigung...

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des Gasgemisches von CO, Schwefelverbindungen,... im Gasreiniger 3. Kontaktofen: - Erhitzung bis ca. 530°C unter Druck in einem zylinderförmigen, druckfesten Reaktionsrohr دے innere Schicht besteht aus weichem, kohlenstoffarmen, reinem Eisen, damit H2 nicht entweicht/weiter reagiert außen: fester Stahl 4. Gasgemisch strömt durch porösen Katalysator und reagiert zu Ammoniakgas hoher Gas-Kontak durch innere Oberfläche des Eisens ermöglicht Wenig zugesetztes Aluminiumoxid begünstigt die Bildung des a-Eisens, Kaliumoxid stabilisiert die Struktur 5. Abkühlung des heißen Ammoniakgases im Kühler (Kühlung erfolgt in mehreren Stufen durch Wärmeaustausch mit Kühlwasser und mit schon erkaltetem Gas) 6. Trennung des Ammoniakgas von nicht umgesetzten Ausgangsprodukten, z.B.: Wasserstoff, Stickstoff im Abscheider. - → Im Kontaktofen setzen sich trotz optimaler Reaktionsbedingungen etwa 20% der Ausgangsstoffe in Ammoniak um. Die nicht umgesetzten Rest-Gase werden wieder in den Kontaktofen eingeführt. weiter Infos: Der Anteil an Ammoniak im Gleichgewicht ist von der Temperatur bei verschiedenen Drücken abhängig. nach dem Le-Chatelier-Prinzip: hoher Ammoniakanteil liegt vor, bei möglichst niedrigen Temperaturen und erhöhtem Druck (→→ hoher Druck begünstigt Hinreaktion) Bei niedrigen Temperaturen ist die Reaktionsgeschwindigkeit für ein kontinuierliches Verfahren zu gering. Katalysatoren kommen zum Einsatz. Ohne Katalysator: 1000 °C zur Aktivierung notwendig, mit Katalysator: akzeptable Ausbeute bei Temperaturen zwischen 400 und 500 °C Stickstoff im Überschuss erhöht die Ausbeute optimale Ammoniak-Ausbeute, wenn: • Temperatur: maximal 530 °C Druck von 200 bis 300 Bar Verwendung eines Katalysators aus Eisen mit Oxid-Anteilen aus Aluminium, Calcium, Kalium • Zugabe von Stickstoff im Überschuss - Ein Katalysator im Gleichgewicht hat keinen Einfluss auf die Lage des Gleichgewichts. Er verringert die Einstellzeit. Der Katalysator ist erst bei Temperaturen über 400 °C ausreichend wirksam.

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des Gasgemisches von CO, Schwefelverbindungen,... im Gasreiniger 3. Kontaktofen: - Erhitzung bis ca. 530°C unter Druck in einem zylinderförmigen, druckfesten Reaktionsrohr دے innere Schicht besteht aus weichem, kohlenstoffarmen, reinem Eisen, damit H2 nicht entweicht/weiter reagiert außen: fester Stahl 4. Gasgemisch strömt durch porösen Katalysator und reagiert zu Ammoniakgas hoher Gas-Kontak durch innere Oberfläche des Eisens ermöglicht Wenig zugesetztes Aluminiumoxid begünstigt die Bildung des a-Eisens, Kaliumoxid stabilisiert die Struktur 5. Abkühlung des heißen Ammoniakgases im Kühler (Kühlung erfolgt in mehreren Stufen durch Wärmeaustausch mit Kühlwasser und mit schon erkaltetem Gas) 6. Trennung des Ammoniakgas von nicht umgesetzten Ausgangsprodukten, z.B.: Wasserstoff, Stickstoff im Abscheider. - → Im Kontaktofen setzen sich trotz optimaler Reaktionsbedingungen etwa 20% der Ausgangsstoffe in Ammoniak um. Die nicht umgesetzten Rest-Gase werden wieder in den Kontaktofen eingeführt. weiter Infos: Der Anteil an Ammoniak im Gleichgewicht ist von der Temperatur bei verschiedenen Drücken abhängig. nach dem Le-Chatelier-Prinzip: hoher Ammoniakanteil liegt vor, bei möglichst niedrigen Temperaturen und erhöhtem Druck (→→ hoher Druck begünstigt Hinreaktion) Bei niedrigen Temperaturen ist die Reaktionsgeschwindigkeit für ein kontinuierliches Verfahren zu gering. Katalysatoren kommen zum Einsatz. Ohne Katalysator: 1000 °C zur Aktivierung notwendig, mit Katalysator: akzeptable Ausbeute bei Temperaturen zwischen 400 und 500 °C Stickstoff im Überschuss erhöht die Ausbeute optimale Ammoniak-Ausbeute, wenn: • Temperatur: maximal 530 °C Druck von 200 bis 300 Bar Verwendung eines Katalysators aus Eisen mit Oxid-Anteilen aus Aluminium, Calcium, Kalium • Zugabe von Stickstoff im Überschuss - Ein Katalysator im Gleichgewicht hat keinen Einfluss auf die Lage des Gleichgewichts. Er verringert die Einstellzeit. Der Katalysator ist erst bei Temperaturen über 400 °C ausreichend wirksam.