Grundlagen der Ammoniaksynthese
Die Ammoniaksynthese ist ein zentraler Prozess in der chemischen Industrie. Die Reaktionsgleichung lautet N₂g + 3H₂g ⇌ 2NH₃g. Diese exotherme Reaktion setzt Wärme frei. Das Volumenverhältnis von Ausgangsstoffen zu Produkten beträgt 4:2.
Highlight: Die Bildung von Ammoniak wird durch niedrige Temperaturen und hohen Druck begünstigt.
Die Reaktionsbedingungen beeinflussen das chemische Gleichgewicht:
- Temperaturerniedrigung fördert die Ammoniakbildung
- Temperaturerhöhung begünstigt den Ammoniakzerfall
- Druckerhöhung fördert die Ammoniakbildung
- Druckerniedrigung begünstigt den Ammoniakzerfall
Vocabulary: Katalysator - Ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, ohne selbst verbraucht zu werden.
Der verwendete Katalysator ist bei 400-500°C am wirksamsten. Für eine hohe Ammoniakausbeute sind niedrige Temperaturen und hoher Druck optimal.
Die technische Herstellung von Ammoniak erfolgt in mehreren Schritten:
- Herstellung des Synthesegases aus Erdgas, Wasserdampf und Luft
- Reaktion von Kohlenstoff mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid
- Abtrennung des Kohlenstoffdioxids
- Zuleitung des Wasserstoff-Stickstoff-Gemischs in den Reaktor
- Ammoniakbildung unter hohem Druck und hoher Temperatur
- Verflüssigung und Abtrennung des Ammoniaks
- Rückführung nicht umgesetzten Synthesegases
Die optimalen Reaktionsbedingungen für das Haber-Bosch-Verfahren sind:
- Temperatur: 450°C-500°C
- Druck: 30 MPa
- Katalysator: Eisenoxidmischkatalysator Fe3O4
Definition: Haber-Bosch-Verfahren - Industrielles Verfahren zur Ammoniaksynthese, benannt nach Fritz Haber und Carl Bosch.
Die Arbeitsweise des Verfahrens basiert auf drei Prinzipien:
- Thermischer Gegenstrom: Vorwärmung des kalten Synthesegases durch heißes Reaktionsgas
- Kontinuierliche Arbeitsweise: Ununterbrochener Reaktionsablauf
- Kreislaufprinzip: Rückführung nicht umgesetzter Ausgangsstoffe
Example: Bei der Ammoniaksynthese wird ein Gemisch aus einem Teil Stickstoff und drei Teilen Wasserstoff verwendet, was dem stöchiometrischen Verhältnis der Reaktion entspricht.
