Was das Haber Bosch Verfahren ist, wie es aufgebaut ist und wozu es genutzt wird, erfährst du alles in unserem Video und im Beitrag!
Das Haber-Bosch-Verfahren dient der synthetischen Herstellung von Ammoniak NH3 mithilfe von Wasserstoff H2 und Stickstoff N2. Die Chemiker Fritz Haber (1868–1934) und Carl Bosch (1874–1940) haben das Verfahren entwickelt, um Ammoniak für den landwirtschaftlichen Gebrauch erstmalig im industriellem Maßstab herzustellen.
Um Ammoniak herzustellen, reagieren Wasserstoff und Stickstoff beim Haber-Bosch-Verfahren miteinander.
Stickstoff ist aber sehr reaktionsträge und kann nur durch enormen Energieaufwand zu einer Reaktion gebracht werden. Damit diese Reaktion effizient abläuft, sind Temperaturen von ca. 450°C und ein Druck von mindestens 200-300 bar notwendig. Außerdem wird N2 im Überschuss hinzugegeben.
Die hohen Reaktionsbedingungen benötigen sehr viel Energie. Der Prozess benötigt sogar so viel Energie, dass er 1,1% des gesamten weltweiten Energieverbrauchs ausmacht.
Um die spezifischen Bedingungen von Temperatur, Druck und Konzentration für die Ammoniaksynthese zu gewährleisten, nutzt du beim Haber Bosch Verfahren einen bestimmten Aufbau.
Als Ausgangsstoffe für die Ammoniaksynthese nutzt du ein Synthesegas, also ein Gasgemisch aus H2 und N2. Das Gas wird über einen Vorwärmer in den Reaktor des Haber Bosch Verfahrens transportiert.
Die Ammoniaksynthese ist eine Gleichgewichtsreaktion , bei der du 3 Wasserstoffmoleküle zusammen mit 1 Stickstoffmolekül zu 2 Ammoniakmolekülen reagieren lässt:
Das heißt, es reagieren nur so viele H2-Moleküle und N2-Moleküle (Edukte) zu NH3 (Produkt), bis die Edukte und Produkte ein bestimmtes Gleichgewicht erreichen.
Das Gleichgewicht kannst du durch das Prinzip von Le Chatelier (Prinzip des kleinsten Zwangs) mithilfe der Faktoren Temperatur, Druck und Konzentration beeinflussen, um die Ausbeute von Ammoniak zu optimieren.
Damit N2 überhaupt mit H2 reagieren kann, musst du die Dreifachbindung von N2 auflösen. Dafür benötigst du eine Aktivierungsenergie von ca. 500°C, wenn du zusätzlich einen Katalysator verwendest (ohne Katalysator ca. 1000°C). Außerdem beschleunigst du mit einer hohen Temperatur und Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit, sodass du Ammoniak schneller bildest.
Jedoch stößt du auf ein Problem. Die Ammoniaksynthese aus H2 und N2 ist eine exotherme Reaktion. Das bedeutet, hohe Temperaturen verschieben das Reaktionsgleichgewicht auf die Eduktseite (also H2 und N2), sodass weniger Ammoniak gebildet wird. Deshalb nutzt du beim Haber Bosch Verfahren einen Mittelweg aus Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsgleichgewicht bei einer Temperatur von 450°C.
H2, N2 und NH3 treten in Form von Gasen auf. Durch hohen Druck kannst du Gase wie H2 und N2 zusammendrücken, sodass sie weniger Platz haben.
Dadurch verschiebst du das Gleichgewicht auf Produktseite, weil NH3 als Gas weniger Platz braucht als die Ausgangstoffe. Um also mehr Ammoniak herzustellen, läuft die Reaktion bei einem Druck von 300 bar ab.
Bei einer Gleichgewichtsreaktion erhältst du mehr Edukte oder Produkte abhängig davon, welche Seite der Gleichgewichtsreaktion weniger vorhanden ist.
Um mehr NH3 zu bilden, stellst du N2 beim Haber Bosch Verfahren also im Überschuss bereit (H2 nicht, weil es relativ schwer herzustellen ist). Außerdem wird bereits gebildetes NH3 regelmäßig entfernt, damit das Gleichgewicht der Reaktion zu Gunsten der Produktbildung liegt.
Damit die Ammoniaksynthese überhaupt stattfinden kann, wird im Vorwege ein Synthesegas aus H2 und N2 erzeugt. Dafür setzt du Methan, Wasser und Luft durch die folgende Konstruktion um: ,
Um das Synthesegas zu erhalten, musst du zuerst die einzelnen Komponenten Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 herstellen. Für die Gewinnung von H2 lässt du Wasserdampf H20 und Methan CH4 reagieren. Dafür nutzt du einen Nickeloxid–Alumiumoxid-Katalysator, um die Ausbeute von H2 zu erhöhen.
Dadurch erhältst du H2 und Kohlenstoffmonoxid CO. Da es sich hierbei um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, setzt du Methan nicht komplett um. Stattdessen führst du Luft hinzu, welches sowohl Stickstoff als auch Sauerstoff enthält. So kann dein Methan nun mit Sauerstoff zu CO und H2 reagieren.
Jetzt stehen dir H2, N2 und CO bereit für die nächste Reaktion.
Bei der Wassergas-Shift Reaktion wandelst du Kohlenstoffmonoxid CO mithilfe von Wasser zu Kohlenstoffdioxid CO2 um. Das tust du aus drei Gründen:
Daher oxidierst du CO mithilfe von H2O zu CO2.
Dadurch erhältst du Kohlenstoffdioxid und sogar noch mehr Wasserstoff. Anschließend kannst du das CO2 durch Triethanolamin rauswaschen, sodass du ein Synthesegas aus H2 und N2 übrig hast.
Bei der Ammoniaksynthese reagiert Methan durch einen Katalysator mit Wasserdampf und Luft. Dabei entsteht ein Synthesegas aus Wasserstoff und Stickstoff. So können Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) zu Ammoniak (NH3) reagieren.
Dabei läuft deine Reaktion in einem Verhältnis von 3 (H2) zu 1 (N2) nach folgendem Schema ab:
Stickstoff ist aber sehr unreaktiv. Daher benötigst du einen Katalysator, um die Aktivierungsenergie der Reaktion herabzusetzen.
So erhöhst du die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Ausbeute pro Zeit. Dafür nutzt du meistens eisenhaltige Katalysatoren wie zum Beispiel Magnetit Fe3O4. Das kannst du mit weiteren Verbindungen wie Aluminiumoxid Al2O3 versetzen, um die Wirksamkeit noch weiter zu erhöhen.
Beim Haber Bosch Verfahren wird das Prinzip vom kleinsten Zwang genutzt, um die Ammoniakausbeute zu maximieren! Doch was genau besagt das Prinzip, welches du auch Prinzip von Le Chatelier nennst, überhaupt? Das findest du in unserem Video
heraus!
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