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Ammoniak
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Ammoniak ist eine wichtige Grundchemikalie. 80% des hergestellten Ammoniaks werden für Düngemittelproduktion verwendet; der Rest dient zur Herstellung von Vorprodukten für Kunststoffe etc.
Da Ammoniak eine große Bedeutung in der Landwirtschaft hat steht die Steigerung der Ammoniakproduktion im direkten Verhältnis zum Anstieg der Weltbevölkerung. Im Jahre 1990 lag die weltweite Produktion von Ammoniak bei ca. 150 Millionen Tonnen (BRD:1982: 2 Millionen Tonnen). Daher ist für viele Entwicklungsländer die Produktion von Ammoniak der erste Schritt zur Industrialisierung.
Herstellung der Ausgangsstoffe
Ammoniak entsteht in einer Gleichgewichtsreaktion aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff:
N 2 + 3H 2 à 2NH 3 exotherm
Der bei der Reaktion benötigte Wasserstoff wird heute vorwiegend aus Erdgas und Wasser Gewonnen.
Haber-Bosch-Verfahren
Seit 1913 wird Ammoniak überwiegend nach dem Haber-Bosch-Verfahren gewonnen,
bei dem Stickstoff und Wasserstoff bei hohem Druck (300 bar) und erhöhter Temperatur (500-600°C) in besonders konstruierten Eisenkatalysatoren nach der Reaktionsgleichung N 2 + 3H 2 à 2NH 3 umgesetzt werden. Als Synthesegas wurde früher meist ein durch Kohlevergasung gewonnenes Gemisch aus Wassergas und Generatorgas verwendet welches Wasserstoff und Stickstoff in einem geeigneten Mengenverhältnis enthält. Heute setzt man v.a. auf Erdgas oder Erdöl o. Erdölprodukten gewonnen Wasserstoff sowie durch Lufterhitzung gewonnen Stickstoff ein. Nach dem Prinzip von Le Chatelier ergibt sich ein hoher Anteil von Ammoniak, wenn Temperatur gering und Druck hoch ist.
Heute arbeitet man bei einer Temperatur von ca. 450°C und einem Druck von ca. 230 bis 330 bar .
Die Synthese findet in einem Kreislaufprozess statt, bei dem das gebildete Ammoniak ständig durch Verflüssigung aus dem Gasgemisch entfernt wird. Nicht umgesetztes Gas wird dem Reaktor wieder zugeführt. Um großtechnisch die besten Resultate zu erlangen braucht man teure Apparaturen und hohen Energieeinsatz (für die Verdichtung des Synthesegases). Zur Druckerzeugung werden dampfbetriebenen Turbokompressoren eingesetzt - Gas wird hier durch schnell rotierende Laufräder verdichtet - das Kernstück ist der Druckreaktor. Der Katalysator wird in bis zu zehn Schichten angeordnet, zwischen denen sich die Wärmetauscher befinden, sie entziehen dem Gasgemisch die bei der Bildung von Ammoniak freigesetzte Wärme, denn Temperaturerhöhung wirkt sich ungünstig auf die Gleichgewichtslage aus.
Außerdem wird das einströmende Synthesegas auf die Reaktionstemperatur gebracht.
Generelles zu geschichtlichen Vorbereitung der Ammoniaksynthese
Anfang des 20 Jahrhunderts war die Lebensmittelproduktion in Gefahr, wegen einem Engpass an Düngemitteln è Welt-Hungerkatastrophe
Eines der größten Probleme war der Stickstoffmangel. So wurde 1913 die Hälfte des Stickstoffbedarfs aus Ammoniumsulfat gedeckt - dies reichte jedoch auch nicht aus. Nun versuchte man den Stickstoff aus der Luft zu gewinnen
Der erste Mann, dem es gelang
Stickstoff direkt aus der Luft
(mit Hilfe der Ammoniaksynthese)
zu gewinnen war Fritz Haber.
Haber wurde für die Entwicklung
seines Verfahrens 1919 mit dem
Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
Haber war zwischen 1922 und 1924
Präsident der Deutschen Chemischen
Gesellschaft.
Er selbst brauchte ein ganze Weile um alle technischen Schwierigkeit bei der
Ammoniaksynthese zu beseitigen, später lehrte er wie man direkt aus den
Elementen Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak gewinnen konnte. Dies sei nur
möglich so Haber, wenn man gewisse Katalysatoren wie Nickel, Eisen, Osmium,
Uran etc. verwende.
è Ein Mittel zur Hebung und Verbesserung der Landwirtschaft war damit geschaffen.
Die großtechnische Herstellung von
Ammoniak führte Haber jedoch
nicht durch, sondern überließ dies
Carl Bosch. Bosch hat lediglich das
großtechnische Verfahren noch
ausgebaut und erweitert, so dass
man Ammoniak in großen Mengen
produzieren kann und somit auch
nutzen(für Düngemittel,
Vorprodukte von Kunststoffen etc)
Ammoniak als Verbindung:
Bau:
Ammoniak ist eine Molekülsubstanz, deren Moleküle aus einem Stickstoffatom
und drei Wasserstoffatomen bestehen.
Vorkommen:
Ammoniak entsteht bei der Zersetzung von Eiweißen.
Eigenschaften:
Ammoniak ist ein farbloses, stechend riechendes, giftiges Gas, welches sich leicht
zu einer Flüssigkeit mit Wasserähnlichen Eigenschaften kondensieren lässt. Dabei
reagiert er teilweise mit dem Wasser:
+
NH 3 + H2 0 D NH + OHˉ
Die Lösung nennt man Ammoniakwasser. Sie reagiert ebenfalls noch teilweise mit
Wasser.
Molgewicht 17
Siedepunkt bei 1013 mbar -33,4°C
Schmelzpunkt -77,7°C
Dichte (flüssig) bei 20°C und 9 bar 0,61g/ml
Dichte des Gases bei 0°C,1013 mbar 0,77g/l
Gasdichteverhältnis bezogen auf Luft 0,59
Dampfdruck bei 20°C 8,5 bar
Kritische Temperatur 132,4°C
Kritischer Druck 113,0 bar
Verwendung:
Herstellung von Salpetersäure, Düngemitteln (Ammoniumsulfat, Ammoniumnitrat,
Harnstoff), Soda (über Ammoniumhydrogencarbonat), Acrylnitrid, Hydrazinn, Kühlmittel und Herstellung von Vorprodukten für Kunststoffe etc.
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