Haber- Bosch- Verfahren

Ammoniak\Chemie\Schule\Michael
23.01.00
Herstellung von Ammoniak (Haber- Bosch- Verfahren)
Bedeutung des Ammoniaks. Wie die Schwefelsäure ist Ammoniak ein äußerst bedeutendes Produkt der
chemischen Industrie. Die Weltproduktionskapazität beläuft sich auf etwa 100 Millionen Tonnen pro Jahr. Drei
Viertel der Produktion werden zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Daneben bildet Ammoniak die
Basis zur Produktion von Kunststoffen, Farb- und Sprengstoffen sowie Medikamenten und
Pflanzenschutzmitteln. In der Bundesrepublik Deutschland wurden 1982 etwa 2 Millionen Tonnen Ammoniak
hergestellt.
Gegen Ende des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts nahm der Bedarf an Düngemitteln ständig zu, woran die
Stickstoff- Dünger einen beträchtlichen Anteil hatten. Aus diesem Grunde versuchten Chemiker in dieser Zeit,
Stickstoffverbindungen in möglichst großen Mengen möglichst preiswert herzustellen. Voraussetzung hierfür
sind billige, ergiebige Rohstoffquellen. Da für Stichstoff Luft zur Verfügung steht und Wasserstoff sich aus
Wasser gewinnen läßt, versuchten viele Chemiker, Ammoniak aus den Elementen herzustellen:
3H2 + N2 → 2NH3
| exotherm
Die grundlegenden Forschungsarbeiten hierfür lieferte bis 1909 der deutsche Chemiker Fritz Haber. Die
Übertragung dieser Reaktion in den großtechnischen Maßstab war wegen der erforderlichen neuartigen
Technologie eine zweite Meisterleistung, vollbracht von Carl Bosch. Am 9. September 1913 konnte die
Badische Anilin- und Sodafabrig (BASF) in Ludwigshafen die erste großtechnische Ammoniaksynthese nach
dem Haber- Bosch- Verfahren mit einer Tagesleistung von 30 Tonnen in Betrieb nehmen. Moderne Anlagen
produzieren über 1500 Tonnen Ammoniak pro Tag.
Reaktionsbedingungen für die Ammoniaksynthese. Das Ausmaß der Ammoniakbildung ist stark
temperaturabhängig. Es müßte sich um so mehr Ammoniak bilden, je niedriger die Temperatur ist. Demnach
sollte man die Synthese bei möglichst niedrigen Temperaturen vornehmen. Bei Zimmertemperatur ist jedoch
keine Umsetzung zwischen Wasserstoff und Stickstoff zu beobachten, da unter diesen Bedingungen die Reaktion
äußerst langsam abläuft. Auch mit eines Katalysators (in der Technik verwendet man Eisen, dem Aluminium-,
Calcium- und Kaliumoxid zugesetzt ist ) reagieren die Gase erst bei 450°C bis 500°C ausreichen rasch
miteinander.
Bei Normdruck und 450°C entstehen aber nur geringe Mengen Ammoniak. Dieser Anteil kann jedoch durch
Druckerhöhung erheblich gesteigert werden. Der Erzeugung hoher Drücke sind aber vor allem durch die
Wirtschaftlichkeit Grenzen gesetzt.
Die moderne Ammoniaksynthese. Für die großtechnische Synthese von Ammoniak wählt man
Reaktionsbedingungen von 200 bar bis 300 bar und 450°C bis 500°C. Wasserstoff wird vor allem durch
Reaktion von Erdgas mit Wasserdampf, Stickstoff aus Luft gewonnen. Vor der Reaktion muß das Gasgemisch
gereinigt und verdichtet werden. Nach der Reaktion wird das Gas in mehreren Stufen abgekühlt, bis sich
Ammoniak bei –33°C verflüssigt. Nicht umgesetztes Gasgemisch wird wieder eingesetzt.
Bei der Entwicklung dieses Verfahrens mußten vor allem drei zentrale Probleme gelöst werden:
Κ
Κ
Κ
Preiswerter Katalysator: Haber verwendete Osmium- und Urankatalysatoren, die für die Großtechnik
(pro Reaktor etwa 35m³ Katalysator!) viel zu teuer waren. Erst in tausenden von Versuchen fand man
schließlich ein geeignetes Katalysatorgemisch.
Haltbare Hochdruckapparatur: Die zunächst verwendeten Stahlrohre platzten, da Wasserstoff in das
Wandmaterial eindrang und mit dem Kohlenstoffanteil des Stahls zu einer gasförmigen KohlenstoffWasserstoff- Verbindung reagierte. Bosch entwickelte ein Druckrohr mit einem Innenrohr aus
kohlenstoffarmen Weicheisen mit einem stützenden Mantel aus Spezialstahl.
In dem Stahlmantel wurden dünne Bohrungen („Bosch- Löscher“) angebracht, durch die der nach wie
vor herausdiffundierende Wasserstoff entweichen konnte, bevor er mit dem Kohlenstoff des Stahls
reagieren konnte.
Durch Entwicklung hinreichen beständiger Chrom- Molybdän- Stähle kann heute auf die
Doppelmantelkonstruktion verzichtet werden.
Erzeugung großer Mengen Synthesegemisch: Ausgangsmaterial waren Luft, Wasser und Kohle. Luft
bzw. Wasserdampf wurden abwechselnd über glühenden Koks geleitet. Die entstehenden Gasgemische
(Generator- bzw. Wassergas) mußten vor der Synthese noch von Nebenprodukten gereinigt werden.